DE212015000061U1 - CRISPR-enabled multiplex genome engineering - Google Patents

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Abstract

Verwendung eines Vektors, umfassend: (i) mindestens eine Editier-Kassette, umfassend (a) eine Region, die homolog zu einer Target-Region einer Nukleinsäure in einer Zelle ist, (b) eine Mutation mindestens eines Nukleotids relativ zu der Target-Region, und (c) eine erste „Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation; (ii) einen Promotor; und (iii) eine Nukleinsäure, die für mindestens eine Guide-RNA (gRNA) codiert, umfassend (a) eine Region, die komplementär zu einem Teil der Target-Region ist; und (b) eine Region, die mit einer Cas9 Nuklease interagiert, zur Herstellung eines Medikaments zum Genom Engineering.Use of a vector comprising: (i) at least one editing cassette comprising (a) a region homologous to a target region of a nucleic acid in a cell, (b) a mutation of at least one nucleotide relative to the target region and (c) a first "Protospacer Adjacent Motif" (PAM) mutation; (ii) a promoter; and (iii) a nucleic acid encoding at least one guide RNA (gRNA) comprising (a) a region that is complementary to a portion of the target region; and (b) a region that interacts with a Cas9 nuclease to produce a drug for genome engineering.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGRELATED APPLICATION

Diese Anmeldung nimmt nach 35 U.S.C. §119 der Vereinigten Staaten die Priorität der vorläufigen Anmeldung 61/938,608 in Anspruch, die am 11. Februar 2014 eingereicht wurde und deren gesamte Lehre hierin durch Referenz aufgenommen ist.This application decreases 35 USC §119 the priority of provisional application 61 / 938,608, filed on Feb. 11, 2014, the entire teaching of which is incorporated herein by reference.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Die rationale Manipulation von großen DNA-Konstrukten ist eine zentrale Herausforderung für die aktuelle synthetische Biologie und Bemühungen des Genom Engineerings. In den letzten Jahren ist eine Vielzahl von Technologien entwickelt worden, um diese Herausforderung zu bewältigen und die Spezifität und Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der Mutationen erzeugt werden können. Darüber hinaus sind adaptive Mutationen eine zentrale Triebkraft der Evolution, aber über ihre Häufigkeit und ihren relativen Beitrag zu zellulären Phänotypen ist selbst in den am besten untersuchten Organismen nur wenig bekannt. Dies ist zum Großteil auf die technischen Herausforderungen zurückzuführen, die mit der Beobachtung und Rekonstruktion dieser Genotypen und der Korrelation ihrer Anwesenheit mit dem Phänotyp von Interesse assoziiert sind. Beispielsweise führen Genom Editier-Verfahren, die auf zufällige Mutagenese angewiesen sind, zu komplexen Genotypen, die aus vielen Mutationen bestehen, deren relativer Beitrag schwer aufzuschlüsseln ist. Darüber hinaus ist es aufgrund des Fehlens von Informationen bezüglich der individuellen Mutationen schwierig, die epistatischen Interaktionen zwischen den Allelen zuzuordnen.The rational manipulation of large DNA constructs is a key challenge for the current synthetic biology and genome engineering efforts. In recent years, a variety of technologies have been developed to overcome this challenge and to increase the specificity and speed at which mutations can be generated. In addition, adaptive mutations are a key driver of evolution, but little is known about their abundance and their relative contribution to cellular phenotypes, even in the best-studied organisms. This is largely due to the technical challenges associated with observing and reconstructing these genotypes and correlating their presence with the phenotype of interest. For example, genome editing methods that rely on random mutagenesis result in complex genotypes consisting of many mutations whose relative contribution is difficult to classify. Moreover, due to the lack of information regarding the individual mutations, it is difficult to assign the epistatic interactions between the alleles.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

”Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats” (CRISPR) kommen in vielen bakteriellen Genomen vor und man hat herausgefunden, dass sie eine wichtige Rolle in der adaptiven bakteriellen Immunität spielen. Transkription dieser Arrays führt zu CRISPR-RNAs, die für die Gen-Repression oder DNA-Spaltung die sequenz-spezifische Bindung der CRISPR/cas-Komplexe zu DNA-Targets in Zellen dirigieren. Die Spezifität dieser Komplexe ermöglicht neuartige in vivo Anwendungen für Stamm-Engineering."Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats" (CRISPR) are found in many bacterial genomes and have been found to play an important role in adaptive bacterial immunity. Transcription of these arrays results in CRISPR RNAs that direct sequence-specific binding of the CRISPR / cas complexes to DNA targets in cells for gene repression or DNA cleavage. The specificity of these complexes allows novel in vivo applications for strain engineering.

Hierin werden Verfahren zur rationalen multiplex Manipulation von Chromosomen innerhalb der offenen Leserahmen (z. B. zur Erzeugung von Protein-Bibliotheken) oder innerhalb mehrerer Gene in einem beliebigen Segment eines Chromosoms beschrieben, in denen verschiedene CRISPR-Systeme verwendet werden. Diese Verfahren stellen ein effizienteres kombinatorisches Genom Engineering als die bisher beschriebenen zur Verfügung.Described herein are methods for rational multiplex manipulation of chromosomes within open reading frames (eg, to generate protein libraries) or within multiple genes in any segment of a chromosome using different CRISPR systems. These methods provide more efficient combinatorial genome engineering than previously described.

Die Erweiterung der Multiplexing-Fähigkeiten von CRISPR stellt eine aktuelle technologische Herausforderung dar und würde die Verwendung dieser Systeme zum Erzeugen rationaler Bibliotheken im Hochdurchsatzformat ermöglichen. Solche Fortschritte weisen weitreichende Auswirkungen auf die Felder des metabolischen und Protein-Engineerings auf, die die Überarbeitung komplexer genetischer Netzwerke für eine optimale Produktion anstreben.Expanding the multiplexing capabilities of CRISPR represents a current technological challenge and would allow the use of these systems to generate high-throughput rational libraries. Such advances have far-reaching implications for the fields of metabolic and protein engineering that are seeking to revise complex genetic networks for optimal production.

Die Verfahren umfassen Einführen von Bestandteilen des CRISPR-Systems, umfassend die CRISPR-assoziierte Nuklease Cas9 und eine sequenz-spezifische Guide-RNA (gRNA), in Zellen, was zu sequenz-gerichteten Doppelstrangbrüchen unter Verwendung der Fähigkeit des CRISPR-Systems solche Brüche zu induzieren, führt. Die Bestandteile des CRISPR-Systems, umfassend die CRISPR-assoziierte Nuklease Cas9 und eine sequenz-spezifische Guide-RNA (gRNA), können codiert auf einem oder mehreren Vektoren, wie beispielsweise einem Plasmid, in die Zellen eingeführt werden. DNA-Rekombineering-Kassetten oder Editier-Oligonukleotide können rational entworfen werden, so dass sie eine gewünschte Mutation innerhalb des Target-Locus und eine Mutation an einem gemeinsamen Ort außerhalb des Target-Locus enthalten, die von dem CRISPR-System erkannt werden können. Die beschriebenen Verfahren können für viele Anwendungen verwendet werden, umfassend Ändern eines Wegs von Interesse.The methods include introducing into CRISPR system components comprising the CRISPR-associated nuclease Cas9 and a sequence-specific guide RNA (gRNA) into cells, resulting in sequence-directed double-strand breaks using the capability of the CRISPR system such breaks induce leads. The components of the CRISPR system, comprising the CRISPR-associated nuclease Cas9 and a sequence-specific guide RNA (gRNA), can be introduced into cells encoded on one or more vectors, such as a plasmid. DNA recombination cassettes or editing oligonucleotides can be rationally designed to contain a desired mutation within the target locus and a mutation at a common location outside the target locus that can be recognized by the CRISPR system. The described methods can be used for many applications, including changing a path of interest.

In einer Ausführungsform ist das Verfahren ein Verfahren zum Genom Engineering, umfassend: (a) Einführen eines Vektors in Zellen, wobei der Vektor codiert: (i) eine Editier-Kassette, die eine Region beinhaltet, die homolog zu der Target-Region der Nukleinsäure in der Zelle ist und eine Mutation (bezeichnet als eine gewünschte Mutation) mindestens eines Nukleotids relativ zu der Target-Region, wie beispielsweise eine Mutation mindestens eines Nukleotids in mindestens einem Codon relativ zu der Target-Region, und eine „Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation beinhaltet; (ii) einen Promoter; und (iii) mindestens eine Guide-RNA (gRNA), wobei die gRNA umfasst: (a) eine Region (RNA), die komplementär zu einem Teil der Target-Region ist; und (b) eine Region (RNA), die eine Cas9 Nuklease rekrutiert, wodurch Zellen hergestellt werden, die den Vektor umfassen; (b) Aufrechterhalten der Zellen, die den Vektor umfassen, unter Bedingungen, unter denen Cas9 exprimiert wird, wobei die Cas9 Nuklease auf dem Vektor codiert wird, auf einem zweiten Vektor codiert wird oder in dem Genom der Zellen codiert wird, was zur Herstellung von Zellen führt, die den Vektor umfassen und die PAM-Mutation nicht umfassen und Zellen die den Vektor und die PAM-Mutation umfassen; (c) Kultivieren des Produkts von (b) unter Bedingungen, die für die Lebensfähigkeit der Zelle geeignet sind, wodurch lebensfähige Zellen hergestellt werden; (d) Erhalten von lebensfähigen Zellen, die in (c) hergestellt wurden; und (e) Sequenzieren des Editier-Oligonukleotids des Vektors von mindestens einer lebensfähigen Zelle, die in (d) erhalten wurde und Identifizieren der Mutation mindestens eines Codons.In one embodiment, the method is a method of genome engineering, comprising: (a) introducing a vector into cells, wherein the vector encodes: (i) an editing cassette containing a region homologous to the target region of the nucleic acid in the cell and a mutation (referred to as a desired mutation) of at least one nucleotide relative to the target region, such as a mutation of at least one nucleotide in at least one codon relative to the target region, and a protospacer adj. PAM) mutation includes; (ii) a promoter; and (iii) at least one guide RNA (gRNA), wherein the gRNA comprises: (a) a region (RNA) that is complementary to a portion of the target region; and (b) a region (RNA) that recruits a Cas9 nuclease, thereby producing cells comprising the vector; (b) maintaining the cells comprising the vector under conditions under which Cas9 is expressed, wherein the Cas9 nuclease is encoded on the vector, encoded on a second vector or encoded in the genome of the cells resulting in the production of Leading cells comprising the vector and not comprising the PAM mutation and cells comprising the vector and the PAM mutation; (c) cultivating the product of (b) under conditions suitable for the viability of the cell, thereby producing viable cells; (D) Obtaining Viable Cells Produced in (c); and (e) sequencing the editing oligonucleotide of the vector from at least one viable cell obtained in (d) and identifying the mutation of at least one codon.

In einer anderen Ausführungsform ist das Verfahren ein Verfahren zum Genom Engineering durch mit verfolgbarem CRISPR angereichertes Recombineering (engl. trackable CRISPR enriched recombineering), umfassend: (a) Einführen eines Vektors in eine erste Population von Zellen, wobei der Vektor codiert: (i) mindestens eine Editier-Kassette, die umfasst: (a) eine Region, die homolog zu einer Target-Region einer Nukleinsäure ist und eine Mutation mindestens eines Nukleotids relativ zu der Target-Region, wie beispielsweise eine Mutation mindestens eines Nukleotids in mindestens einem Codon relativ zu der Target-Region, und (b) eine „Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation umfasst; (ii) mindestens einen Promoter; und (iii) mindestens eine Guide-RNA (gRNA), umfassend: (a) eine Region (RNA), die komplementär zu einem Teil der Target-Region ist; und (b) eine Region (RNA), die eine Cas9 Nuklease rekrutiert, wodurch eine zweite Population von Zellen hergestellt wird, die den Vektor umfasst; (b) Aufrechterhalten der zweiten Population von Zellen unter Bedingungen, unter denen die Cas9 Nuklease exprimiert wird, wobei die Cas9 Nuklease auf dem Vektor codiert wird, auf einem zweiten Vektor oder in dem Genom der Zellen codiert wird, was zur DNA-Spaltung in den Zellen, die die PAM-Mutation nicht umfassen, und zum Tod solcher Zellen führt; (c) Erhalten von lebensfähigen Zellen, die in (b) hergestellt wurden; und (d) Identifizieren der Mutation mindestens eines Codons durch Sequenzieren des Editier-Oligonukleotids des Vektors von mindestens einer Zelle der zweiten Population von Zellen.In another embodiment, the method is a method of genome engineering by trackable CRISPR-enriched recombinant engineering, comprising: (a) introducing a vector into a first population of cells, wherein the vector encodes: (i) at least one editing cassette comprising: (a) a region homologous to a target region of a nucleic acid and a mutation of at least one nucleotide relative to the target region, such as a mutation of at least one nucleotide in at least one codon relative to the target region, and (b) a Protospacer Adjacent Motif (PAM) mutation; (ii) at least one promoter; and (iii) at least one guide RNA (gRNA) comprising: (a) a region (RNA) that is complementary to a portion of the target region; and (b) a region (RNA) that recruits a Cas9 nuclease, thereby producing a second population of cells comprising the vector; (b) maintaining the second population of cells under conditions in which the Cas9 nuclease is expressed, encoding the Cas9 nuclease on the vector, encoding on a second vector or in the genome of the cells, resulting in DNA cleavage into the cells Cells that do not involve the PAM mutation and cause the death of such cells; (c) obtaining viable cells produced in (b); and (d) identifying the mutation of at least one codon by sequencing the editing oligonucleotide of the vector from at least one cell of the second population of cells.

Jede der obigen Ausführungsformen kann weiter Synthetisieren und/oder Erhalten einer Population von Editier-Oligonukleotiden umfassen. Jede Ausführungsform kann weiter Amplifizieren der Population von Editier-Oligonukleotiden umfassen. In jeder der Ausführungsformen kann der Vektor weiter einen Spacer, mindestens zwei Priming-Stellen oder sowohl einen Spacer als auch mindestens zwei Priming-Stellen umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst die Editier-Kassette eine Target-Region, die eine Mutation mindestens eines Codons innerhalb von 100 Nukleotiden von der PAM-Mutation umfasst.Each of the above embodiments may further comprise synthesizing and / or obtaining a population of editing oligonucleotides. Each embodiment may further comprise amplifying the population of editing oligonucleotides. In any of the embodiments, the vector may further comprise a spacer, at least two priming sites, or both a spacer and at least two priming sites. In some embodiments, the editing cassette comprises a target region comprising a mutation of at least one codon within 100 nucleotides of the PAM mutation.

Ebenfalls beschrieben ist ein Vektor, umfassend:

  • (i) eine Editier-Kassette, die eine Region umfasst, die homolog zu einer Target-Region einer Nukleinsäure in einer Zelle ist und eine Mutation (bezeichnet als eine gewünschte Mutation) mindestens eines Nukleotids relativ zu der Target-Region, und eine „Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation beinhaltet;
  • (ii) einen Promoter; und
  • (iii) mindestens eine Guide-RNA (gRNA), umfassend: (a) eine Region (RNA), die komplementär zu einem Teil der Target-Region ist; und (b) eine Region (RNA), die eine Cas9 Nuklease rekrutiert.
Also described is a vector comprising:
  • (i) an editing cassette comprising a region homologous to a target region of a nucleic acid in a cell and a mutation (referred to as a desired mutation) of at least one nucleotide relative to the target region, and a protospacer Adjacent Motif "(PAM) mutation includes;
  • (ii) a promoter; and
  • (iii) at least one guide RNA (gRNA) comprising: (a) a region (RNA) that is complementary to a portion of the target region; and (b) a region (RNA) that recruits a Cas9 nuclease.

Eine weitere Ausführungsform ist ein Vektor, umfassend:

  • (i) eine Editier-Kassette, die eine Region beinhaltet, die homolog zu einer Target-Region einer Nukleinsäure in einer Zelle ist und eine Mutation (bezeichnet als eine gewünschte Mutation) mindestens eines Nukleotids in mindestens einem Codon relativ zu der Target-Region und eine „Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation beinhaltet;
  • (ii) einen Promoter; und
  • (iii) mindestens eine Guide-RNA (gRNA), umfassend: (a) eine Region (RNA), die komplementär zu einem Teil der Target-Region ist; und (b) eine Region (RNA), die eine Cas9 Nuklease rekrutiert.
Another embodiment is a vector comprising:
  • (i) an editing cassette containing a region homologous to a target region of a nucleic acid in a cell and a mutation (referred to as a desired mutation) of at least one nucleotide in at least one codon relative to the target region and includes a "Protospacer Adjacent Motif" (PAM) mutation;
  • (ii) a promoter; and
  • (iii) at least one guide RNA (gRNA) comprising: (a) a region (RNA) that is complementary to a portion of the target region; and (b) a region (RNA) that recruits a Cas9 nuclease.

Eine weitere Ausführungsform ist ein Vektor, umfassend:

  • (i) mindestens eine Editier-Kassette umfassend: (a) eine Region, die homolog zu einer Target-Region einer Nukleinsäure ist und eine Mutation mindestens eines Nukleotids relativ zu der Target-Region und (b) eine „Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation umfasst;
  • (ii) mindestens einen Promoter; und
  • (iii) mindestens eine Guide-RNA (gRNA), umfassend: (a) eine Region (RNA), die komplementär zu einem Teil der Target-Region ist; und (b) eine Region (RNA), die eine Cas9 Nuklease rekrutiert.
Another embodiment is a vector comprising:
  • (i) at least one editing cartridge comprising: (a) a region homologous to a target region of a nucleic acid and a mutation of at least one nucleotide relative to the target region; and (b) a protospacer adj. motif (PAM ) Mutation;
  • (ii) at least one promoter; and
  • (iii) at least one guide RNA (gRNA) comprising: (a) a region (RNA) that is complementary to a portion of the target region; and (b) a region (RNA) that recruits a Cas9 nuclease.

Eine weitere Ausführungsform des Vektors ist ein Vektor, umfassend:

  • (i) eine Editier-Kassette, umfassend: (a) eine Region, die homolog zu einer Target-Region einer Nukleinsäure ist und eine Mutation mindestens eines Nukleotids in mindestens einem Codon relativ zu der Target-Region und (b) eine „Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation umfasst;
  • (ii) mindestens einen Promoter; und
  • (iii) mindestens eine Guide-RNA (gRNA), umfassend: (a) eine Region (RNA), die komplementär zu einem Teil der Target-Region ist; und (b) eine Region (RNA), die eine Cas9 Nuklease rekrutiert.
Another embodiment of the vector is a vector comprising:
  • (i) an editing cassette comprising: (a) a region homologous to a target region of a nucleic acid and a mutation of at least one nucleotide in at least one codon relative to the target region and (b) a protospacer adj Motif "(PAM) mutation comprises;
  • (ii) at least one promoter; and
  • (iii) at least one guide RNA (gRNA) comprising: (a) a region (RNA) that is complementary to a portion of the target region; and (b) a region (RNA) that recruits a Cas9 nuclease.

In jeder der Ausführungsformen kann der Vektor weiter einen Spacer; mindestens zwei Priming-Stellen; oder einen Spacer und mindestens zwei Priming-Stellen umfassen. In diesen Vektoren, in denen die Mutation mindestens eines Nukleotids in mindestens einem Codon ist, kann sich die Editier-Kassette beispielsweise innerhalb von 100 Nukleotiden von der PAM-Mutation befinden.In any of the embodiments, the vector may further comprise a spacer; at least two priming sites; or a spacer and at least two priming sites. For example, in these vectors where the mutation is at least one nucleotide in at least one codon, the editing cassette may be within 100 nucleotides of the PAM mutation.

Ebenfalls beschrieben ist eine Bibliothek, umfassend eine Population von Zellen, die durch die hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Eine Bibliothek von einer Population von Zellen kann Zellen mit jedem der hierin beschriebenen Vektoren umfassen. Beispielsweise kann eine Population von Zellen einen Vektor umfassen, wobei der Vektor umfasst:

  • (i) eine Editier-Kassette, die eine Region beinhaltet, die homolog zu einer Target-Region einer Nukleinsäure in einer Zelle ist und eine Mutation (bezeichnet als eine gewünschte Mutation) mindestens eines Nukleotids relativ zu der Target-Region und eine „Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation beinhaltet;
  • (ii) einen Promoter; und
  • (iii) mindestens eine Guide-RNA (gRNA), umfassend: (a) eine Region (RNA), die komplementär zu einem Teil der Target-Region ist; und (b) eine Region (RNA), die eine Cas9 Nuklease rekrutiert.
Also described is a library comprising a population of cells produced by the methods described herein. A library of a population of cells may comprise cells with any of the vectors described herein. For example, a population of cells may comprise a vector, the vector comprising:
  • (i) an editing cassette containing a region homologous to a target region of a nucleic acid in a cell and a mutation (referred to as a desired mutation) of at least one nucleotide relative to the target region and a protospacer adj Motif "(PAM) mutation includes;
  • (ii) a promoter; and
  • (iii) at least one guide RNA (gRNA) comprising: (a) a region (RNA) that is complementary to a portion of the target region; and (b) a region (RNA) that recruits a Cas9 nuclease.

In einer weiteren Ausführungsform kann eine Population von Zellen einen Vektor umfassen, wobei der Vektor umfasst:

  • (i) eine Editier-Kassette, die eine Region beinhaltet, die homolog zu einer Target-Region einer Nukleinsäure in einer Zelle ist und eine Mutation (bezeichnet als eine gewünschte Mutation) mindestens eines Nukleotids in mindestens einem Codon relativ zu der Target-Region, und eine „Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation beinhaltet;
  • (ii) einen Promoter; und
  • (iii) mindestens eine Guide-RNA (gRNA), umfassend: (a) eine Region (RNA), die komplementär zu einem Teil der Target-Region ist; und (b) eine Region (RNA), die eine Cas9 Nuklease rekrutiert.
In a further embodiment, a population of cells may comprise a vector, the vector comprising:
  • (i) an editing cassette containing a region homologous to a target region of a nucleic acid in a cell and a mutation (referred to as a desired mutation) of at least one nucleotide in at least one codon relative to the target region, and a "Protospacer Adjacent Motif" (PAM) mutation;
  • (ii) a promoter; and
  • (iii) at least one guide RNA (gRNA) comprising: (a) a region (RNA) that is complementary to a portion of the target region; and (b) a region (RNA) that recruits a Cas9 nuclease.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Verfahren ein Verfahren für CRISPR-unterstütztes rationales Protein-Engineering (kombinatorisches Genom Engineering), umfassend:

  • (a) Konstruieren einer Donor-Bibliothek, die rekombinante DNA umfasst, wie beispielsweise rekombinante Chromosomen oder rekombinante DNA in Plasmiden, durch Einführen beispielsweise durch Co-Transformation, in eine Population von ersten Zellen (i) eines oder mehrerer Editier-Oligonukleotide, wie beispielsweise rational entworfene Oligonukleotide, die die Deletion eines ersten einzelnen „Protospacer Adjacent Motif” Motivs (PAM) mit einer Mutation mindestens eines Codons in einem zu dem PAM benachbarten Gen (das benachbarte Gen) koppeln und (b) eine Guide-RNA (gRNA), die eine Nukleotid-Sequenz 5' von dem offenen Leserahmen eines Chromosoms anzielt, wodurch eine Donor-Bibliothek hergestellt wird, die eine Population von ersten Zellen umfasst, die rekombinante Chromosomen mit gezielten Codon Mutationen umfasst;
  • (b) Amplifizieren der in (a) konstruierten Donor-Bibliothek, beispielsweise durch PCR-Amplifikation rekombinanter Chromosome, die ein synthetisches Merkmal der Editier-Oligonukleotide verwenden und gleichzeitig eine zweite PAM-Deletion (Ziel-PAM-Deletion) an dem 3'-Terminus des Gens einbauen, wodurch die gezielten Codon-Mutationen direkt mit der Ziel-PAM-Deletion gekoppelt werden, beispielsweise durch kovalentes Koppeln, und wodurch eine wiedergewonnene Donor-Bibliothek hergestellt wird, die die Ziel-PAM-Deletion und die gezielten Codon-Mutationen trägt; und
  • (c) Einführen (z. B. Co-Transformieren) der Donor-Bibliothek, die die Ziel-PAM-Deletion und die gezielten Codon-Mutationen trägt und einem Ziel-gRNA-Plasmid in eine Population von zweiten Zellen, die typischerweise eine Population von naiven Zellen ist, wodurch eine Ziel-Bibliothek hergestellt wird, die die gezielten Codon-Mutationen umfasst.
In a further embodiment, the method is a method for CRISPR-assisted rational protein engineering (combinatorial genome engineering) comprising:
  • (a) constructing a donor library comprising recombinant DNA, such as recombinant chromosomes or recombinant DNA in plasmids, by introducing, for example, by co-transformation, into a population of first cells (i) of one or more editing oligonucleotides, such as rationally designed oligonucleotides coupling the deletion of a first single protospacer adjacent motif (PAM) with a mutation of at least one codon in a gene adjacent to the PAM (the adjacent gene) and (b) a guide RNA (gRNA), targeting a nucleotide sequence 5 'to the open reading frame of a chromosome, thereby producing a donor library comprising a population of first cells comprising recombinant chromosomes with targeted codon mutations;
  • (b) amplifying the donor library constructed in (a), for example by PCR amplification of recombinant chromosomes using a synthetic feature of the editing oligonucleotides and simultaneously a second PAM deletion (target PAM deletion) on the 3 ' Terminus of the gene, whereby the targeted codon mutations are coupled directly to the target PAM deletion, for example by covalent coupling, and whereby a recovered donor library is prepared, the target PAM deletion and the targeted codon mutations wearing; and
  • (c) introducing (e.g., co-transforming) the donor library carrying the target PAM deletion and directed codon mutations and a target gRNA plasmid into a population of second cells, typically a population of naive cells, thus producing a target library comprising the targeted codon mutations.

Die Population der ersten Zellen und die Population der zweiten Zellen (z. B. Eine Population von naiven Zellen) sind typischerweise eine Population, in denen die Zellen alle von dem gleichen Typ sind und die prokaryotisch oder eukaryotisch sein können, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf Bakterien, Säugerzellen, Pflanzenzellen, Insektenzellen.The population of the first cells and the population of the second cells (e.g., a population of naive cells) are typically a population in which the cells are all of the same type and may be prokaryotic or eukaryotic, such as, but not limited to limited to bacteria, mammalian cells, plant cells, insect cells.

In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiter Aufrechterhalten der Ziel-Bibliothek unter Bedingungen, unter denen Protein hergestellt wird.In some embodiments, the method further comprises maintaining the target library under conditions under which protein is produced.

In einigen Ausführungsformen exprimiert die erste Zelle ein Polypeptid mit Cas9-Nukleaseaktivität. In einigen Ausführungsformen wird das Polypeptid mit Cas9-Nukleaseaktivität unter Kontrolle eines induzierbaren Promoters exprimiert.In some embodiments, the first cell expresses a polypeptide having Cas9 nuclease activity. In some embodiments, the polypeptide having Cas9 nuclease activity is expressed under the control of an inducible promoter.

In einigen Ausführungsformen sind die Editier-Oligonukleotide komplementär zu einer (einer, einer oder mehreren, mindestens einer) Target-Nukleinsäure, die in der ersten Zelle vorliegt. In einigen Ausführungsformen zielen die Editier-Oligonukleotide mehr als eine Target-Stelle oder -Locus in der ersten Zelle an. In einigen Ausführungsformen umfasst die Nukleinsäuresequenz der Editier-Oligonukleotide [gewünschtes Codon] eine oder mehrere Substitutionen, Deletionen, Insertionen oder jegliche Kombinationen von Substitutionen, Deletionen und Insertionen relativ zu der Target-Nukleinsäure. In einigen Ausführungsformen werden die Editier-Oligonukleotide rational entworfen; in weiteren Ausführungsformen werden sie durch zufällige Mutagenese oder unter Verwendung degenerierter Primer-Oligonukleotide hergestellt. In einigen Ausführungsformen stammen die Editier-Oligonukleotide aus einer Sammlung von Nukleinsäuren (Bibliothek).In some embodiments, the editing oligonucleotides are complementary to one (one, one or more, at least one) target nucleic acid present in the first cell. In some embodiments, the editing oligonucleotides target more than one target site or locus in the first cell. In some embodiments, the nucleic acid sequence of the editing oligonucleotides [desired codon] comprises one or more substitutions, deletions, insertions, or any combination of substitutions, deletions, and insertions relative to the target nucleic acid. In some embodiments, the editing oligonucleotides are designed rationally; in other embodiments, they are prepared by random mutagenesis or using degenerate primer oligonucleotides. In some embodiments, the editing oligonucleotides are from a collection of nucleic acids (library).

In einigen Ausführungsformen wird die gRNA auf einem Plasmid codiert. In einigen Ausführungsformen werden das Editier-Oligonukleotid und die gRNA durch Transformation in die erste Zelle eingeführt, beispielsweise durch Co-Transformation des Editier-Oligonukleotids und der Guide(g)-RNA. In einigen Ausführungsformen werden das Editier-Oligonukleotid und die gRNA sequenziell in die erste Zelle eingeführt. In anderen Ausführungsformen werden das Editier-Oligonukleotid und die gRNA gleichzeitig in die erste Zelle eingeführt. In some embodiments, the gRNA is encoded on a plasmid. In some embodiments, the editing oligonucleotide and the gRNA are introduced by transformation into the first cell, for example by co-transformation of the editing oligonucleotide and the guide (g) RNA. In some embodiments, the editing oligonucleotide and the gRNA are introduced sequentially into the first cell. In other embodiments, the editing oligonucleotide and the gRNA are introduced simultaneously into the first cell.

In einigen Ausführungsformen umfasst Wiedergewinnen der Donor-Bibliothek weiter (a) Screening der Zellen auf Einbau der Editier-Oligonukleotide und (b) Selektieren der Zellen, bei denen bestätigt wurde, dass sie das Editier-Oligonukleotid eingebaut haben. In einigen Ausführungsformen umfasst Wiedergewinnen der Donor-Bibliothek weiter Bearbeitung der wiedergewonnenen Donor-Bibliothek.In some embodiments, recovering the donor library further comprises (a) screening the cells for incorporation of the editing oligonucleotides and (b) selecting the cells that have been confirmed to have incorporated the editing oligonucleotide. In some embodiments, recovering the donor library further involves processing the recovered donor library.

In einigen Ausführungsformen exprimiert die Zielzelle/naive Zelle ein Polypeptid mit Cas9-Nukleaseaktivität. In einigen Ausführungsformen wird das Polypeptid mit Cas9-Nukleaseaktivität unter Kontrolle eines induzierbaren Promotors exprimiert.In some embodiments, the target cell / naive cell expresses a polypeptide having Cas9 nuclease activity. In some embodiments, the polypeptide having Cas9 nuclease activity is expressed under the control of an inducible promoter.

Ebenfalls beschrieben ist ein Verfahren für CRISPR-unterstütztes rationales Protein-Engineering, umfassend:

  • (a) Einführen (z. B., Co-Transformieren) von (i) synthetischen dsDNA Editier-Kassetten, die Editier-Oligonukleotide umfassen und (ii) einem Vektor, der eine Guide-RNA (gRNA) exprimiert, die die genomische Sequenz direkt stromaufwärts von einem Gen von Interesse in einer Population von ersten Zellen anzielt, unter Bedingungen, unter denen Multiplex Recombineering und selektive Anreicherung der Editier-Oligonukleotide durch gRNA auftritt, wodurch eine Donor-Bibliothek hergestellt wird;
  • (b) Amplifizieren der Donor-Bibliothek mit einem Oligonukleotid, dass ein „Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Motiv deletiert, das zu dem 3'-Ende des Gens von Interesse benachbart ist (Ziel-PAM), wodurch eine amplifizierte Donor-Bibliothek hergestellt wird, die dsDNA Editier-Kassetten, von denen aus die Ziel-PAM deletiert worden ist (mit einer 3' PAM-Deletion), rationale Codon-Mutationen, und eine P1-Stelle umfasst; und
  • (c) Bearbeiten der amplifizierten Donor-Bibliothek mit einem Enzym, wie beispielsweise einem Restriktionsenzym (z. B. BsaI), um die P1-Stelle zu entfernen; und
  • (d) Co-Transformieren einer Population von naiven Zellen mit der in (c) bearbeiteten amplifizierten Donor-Bibliothek und der Ziel-gRNA, wodurch eine Population von co-transformierten Zellen hergestellt wird, die dsDNA-Editier-Kassetten, von denen aus die Ziel-PAM deletiert worden ist (mit einer 3' PAM-Deletion), rationale Codon-Mutationen, und die Ziel-gRNA umfassen.
Also described is a method for CRISPR-assisted rational protein engineering, comprising:
  • (a) introducing (e.g., co-transforming) (i) synthetic dsDNA editing cassettes comprising editing oligonucleotides and (ii) a vector expressing a guide RNA (gRNA) encoding the genomic sequence directly upstream of a gene of interest in a population of first cells, under conditions where multiplex recombineering and selective enrichment of the editing oligonucleotides by gRNA occurs, thereby producing a donor library;
  • (b) amplifying the donor library with an oligonucleotide that deletes a "Protospacer Adjacent Motif" (PAM) motif adjacent to the 3 'end of the gene of interest (target PAM), yielding an amplified donor library the dsDNA editing cassettes from which the target PAM has been deleted (with a 3 'PAM deletion), rational codon mutations, and a P1 site; and
  • (c) working the amplified donor library with an enzyme, such as a restriction enzyme (e.g., Bsa I) to remove the P1 site; and
  • (d) co-transforming a population of naive cells with the amplified donor library processed in (c) and the target gRNA, thereby producing a population of co-transformed cells, the dsDNA editing cassettes, of which the Target PAM has been deleted (with a 3 'PAM deletion), rational codon mutations, and include the target gRNA.

In allen beschriebenen Ausführungsformen kann eine Mutation von jedem gewünschten Typ sein, wie beispielsweise eine oder mehrere Insertionen, Deletionen, Substitutionen oder jegliche Kombinationen von zwei oder drei der zuvor genannten (z. B. Insertion und Deletion; Insertion und Substitution; Deletion und Substitution; Substitution und Insertion; Insertion, Deletion und Substitution). Insertionen, Deletionen und Substitutionen können eine beliebige Zahl von Nukleotiden betreffen. Sie können sich in Codons (codierenden Regionen) und/oder in nicht-codierenden Regionen befinden.In all embodiments described, a mutation may be of any desired type, such as one or more insertions, deletions, substitutions, or any combination of two or three of the foregoing (e.g., insertion and deletion; insertion and substitution; deletion and substitution; Substitution and insertion; insertion, deletion and substitution). Insertions, deletions and substitutions may involve any number of nucleotides. They can be in codons (coding regions) and / or in non-coding regions.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

1A und 1B geben einen Überblick über CRISPR-unterstütztes, rationales Protein-Engineering (engl. CRISPR assisted rational protein engineering, CARPE). 1A zeigt ein Schema zur Konstruktion einer Donor-Bibliothek. Synthetische dsDNA Editier-Kassetten werden mit einem Vektor co-transformiert, der eine Guide-RNA (gRNA) exprimiert, der die genomische Sequenz stromaufwärts des Gens von Interesse anzielt. Die Co-Transformation erzeugte über Multiplex Recombineering eine Donor-Bibliothek von den Editier-Oligonukleotiden, die selektiv durch die gRNA angereichert werden. Die Donor-Bibliothek wurde dann unter Verwendung eines Oligonukleotids amplifiziert, das ein PAM mutiert (deletiert), das zu dem 3'-Ende des Gens benachbart ist (Ziel-PAM). 1B zeigt ein Schema zur Konstruktion einer finalen Protein-Bibliothek. Die Donor-Bibliothek wurde mit BsaI bearbeitet, um die P1-Stelle zu entfernen, und die Bibliothek der dsDNA-Kassetten mit der 3'PAM-Deletion und den rationalen Codon-Mutationen wurde mit der Ziel-gRNA co-transformiert, um die finale Protein-Bibliothek zu erzeugen. 1A and 1B review CRISPR-assisted rational protein engineering (CARPE). 1A shows a scheme for construction of a donor library. Synthetic dsDNA editing cassettes are co-transformed with a vector that expresses a guide RNA (gRNA) that targets the genomic sequence upstream of the gene of interest. The co-transformation generated via multiplex recombination a donor library from the editing oligonucleotides which are selectively enriched by the gRNA. The donor library was then amplified using an oligonucleotide that mutates (deletes) a PAM adjacent to the 3 'end of the gene (target PAM). 1B shows a scheme for constructing a final protein library. The donor library was processed with Bsa I to remove the P1 site, and the library of dsDNA cassettes with the 3 'PAM deletion and the rational codon mutations was co-transformed with the target gRNA to give the final To generate protein library.

2 zeigt die DNA-Sequenzen von Klonen aus der Konstruktion der galK Donor-Bibliothek, was den hocheffizienten Einbau des P1-Merkmals der Editier-Oligonukleotide (90% Mutationseffizienz), sowie die Mutation an der Target-Codon-Position (unterstrichen; 20% Mutationseffizienz) bestätigt. Die Sequenz von P1 wird in SEQ ID NO: 1 bereitgestellt. 2 shows the DNA sequences of clones from the construction of the galK donor library, indicating the highly efficient incorporation of the P1 feature of the editing oligonucleotides (90% mutation efficiency), as well as the mutation at the target codon position (underlined: 20% mutation efficiency ) approved. The sequence of P1 is provided in SEQ ID NO: 1.

3A zeigt das Primer-Design. 3B zeigt die erwartete Dichte relativ zu der Zahl der Primer. 3A shows the primer design. 3B shows the expected density relative to the number of primers.

4A stellt Linker- und Konstrukt-Ergebnisse dar. 4B zeigt 10 Änderungen in Bezug auf Emulsions-PCR-basiertes Tracking. 4A represents linker and construct results. 4B shows 10 changes with respect to emulsion PCR-based tracking.

5 ist ein Schema für rationales Protein-Editieren für metabolisches Engineering, wobei bei paralleler Synthese der Bibliothek 104–105 Merkmale pro Synthese gewonnen werden können. 5 is a scheme for rational protein editing for metabolic engineering, with parallel synthesis of the library yielding 10 4 -10 5 features per synthesis.

6 ist ein Schema zur Erzeugung von CRISPR-angereicherten, rationalen Protein-Bibliotheken, umfassend die Schritte 1) Multiplex-Rekombination, 2) Wiedergewinnung der Bibliothek und 3) Multiplex-Rekombination durch Koppeln von PAM mit der Bibliothek von Mutationen. CRISPR ermöglicht dabei eine schnelle Selektion rekombinanter Genotypen zum Anreichern der Protein-Bibliotheken von der Platte. 6 is a scheme for generating CRISPR-enriched, rational protein libraries, comprising the steps 1) multiplex recombination, 2) library recovery, and 3) multiplex recombination by coupling PAM to the library of mutations. CRISPR allows for rapid selection of recombinant genotypes to enrich the protein libraries of the plate.

7 ist ein Schema des Aufbaus und Demonstration von CARPE. 7 is a schematic of the construction and demonstration of CARPE.

8 zeigt Strategien zur iterativen CRISPR Co-Selektion. 8th shows strategies for iterative CRISPR co-selection.

9 zeigt eine Strategie für Multiplex Protein-Engineering unter Verwendung von CARPE, umfassend die Schritte 1) Konstruktion der Donor-Bibliothek (Multiplex-Rekombination), 2) Wiedergewinnung der Donor-Bibliothek mittels PCR und 3) Konstruktion der Ziel-Bibliothek (Multiplex-Rekombination). Es liegen zwei PAM-Stellen für jede Gen-Bibliothek vor. Diese Strategie ermöglicht die rationale Konstruktion der Bibliothek für ORFs und ein schnelles Protein-Engineeringpotential. 9 shows a strategy for multiplex protein engineering using CARPE, comprising the steps 1) construction of the donor library (multiplex recombination), 2) recovery of the donor library by PCR and 3) construction of the target library (multiplex recombination ). There are two PAM sites for each gene library. This strategy allows the rational construction of the library for ORFs and a rapid protein engineering potential.

10 zeigt den Konzeptnachweis der Konstruktion einer galK Donor-Bibliothek unter Verwendung von CARPE, umfassend die Schritte 1) Konstruktion der Donor-Bibliothek (Multiplex-Rekombination) und 2) Wiedergewinnung der Donor-Bibliothek mittels PCR, welche aus Flüssigkulturen, 3 Stunden nach der Rekombination erfolgt. 10 Figure 4 shows the concept proof of the construction of a galK donor library using CARPE, comprising the steps 1) construction of the donor library (multiplex recombination) and 2) recovery of the donor library by PCR, derived from liquid cultures, 3 hours after recombination he follows.

11A zeigt ein Schema für Multiplex CRISPR-basiertes Editieren unter Verwendung von CARPE. 11B zeigt ein Schema für Multiplex CRISPR-basiertes Editieren (Multiplex Amplifikation/Klonierung) unter Verwendung von Genom Engineering durch Recombineering, angereichert mit verfolgbarem CRISPR (engl. Genome Engineering by trackable CRISPR enriched recombineering, GEn-TraCER). 11A shows a scheme for multiplex CRISPR-based editing using CARPE. 11B Figure 12 shows a scheme for multiplex CRISPR-based editing (multiplex amplification / cloning) using genome engineering by recombineering enriched with trackable CRISPR (Genome Engineering by trackable CRISPR enriched recombineering, GEn-TraCER).

12 zeigt einen repräsentativen GEn-TraCER Vektor (Konstrukt), der eine Editier-Kassette zum Editieren von Codon 24 von galK, einen Promotor, und einen Spacer beinhaltet. 12 Figure 12 shows a representative GEn-TraCER vector (construct) containing an editing cartridge for editing galK codon 24, a promoter, and a spacer.

13 zeigt die Ergebnisse einer galK Editierung unter Verwendung von GEn-TraCER. Die oberen Abschnitte zeigen DNA-Sequenzierergebnisse des Chromosoms und des Vektors (Plasmids) der Zellen, die mit dem galK Codon 24 Editier-GEn-TraCER-Vektor transformiert worden sind, was darauf hindeutet, dass die Editier-Kassette (Oligonukleotid) auf dem Vektor als ein „trans-Barcode” sequenziert werden kann, was ein hocheffizientes Verfolgen der gewünschten Genomänderung (Mutation) ermöglicht. Der untere Teil zeigt DNA-Sequenzierchromatographen der Zellen, die den nicht-geänderten, Wildtyp-Phänotyp (rot) zeigen. Das Verfahren ermöglicht die Identifizierung von Zellen mit multiplen Chromosomen, die sowohl das Wildtyp-, nicht-geänderte Allel als auch das geänderte/mutierte Allel tragen. 13 shows the results of galK editing using GEn-TraCER. The upper sections show DNA sequencing results of the chromosome and vector (plasmid) of the cells transformed with the galK codon 24 editing GEn-TraCER vector, suggesting that the editing cassette (oligonucleotide) on the vector can be sequenced as a "trans-barcode", allowing highly efficient tracking of the desired genome mutation. The lower part shows DNA sequencing chromatographs of the cells showing the unmodified, wild-type phenotype (red). The method allows the identification of cells with multiple chromosomes carrying both the wild-type, unmodified allele and the altered / mutated allele.

14A14C zeigen Schemata für GEn-TraCER. 14A zeigt einen Überblick über die Design-Bestandteile. Die GEn-TraCER Kassette enthält Guide-RNA (gRNA) Sequenz(en), um eine spezifische Stelle in dem Zellgenom anzuzielen und dsDNA-Spaltung zu bewirken. Eine homologe Region, die komplementär zur Target-Region ist, mutiert das PAM und andere naheliegende gewünschte Stellen. Die Zellen, die Rekombination durchlaufen, werden selektiv auf hohe Abundanz angereichert. Sequenzieren der GEn-TraCER Editier-Kassette in dem Vektor ermöglicht Verfolgen der genomischen Änderungen/Mutationen mit Genom-weitem Tracking mit kurzer Lesung. 14B zeigt eine beispielhafte Editier-Kassette für das E. coli galK Gen an Codon 145. Das PAM wird mit der am nächsten verfügbaren PAM-Mutation deletiert, die für eine synonyme Änderung an der am nächsten verfügbaren PAM-Position erstellt werden kann. Dies ermöglicht Mutagenese mit einer „stillen Narbe” von 1–2 Nukleotiden an der PAM-Deletionsstelle. 14C zeigt GEn-TraCER Kassetten die unter Verwendung von Array-basierten Syntheseverfahren synthetisiert werden können, wodurch parallele Synthese von mindestens 104–106 Kassetten für ein systematisches Targeting und gleichzeitige Auswertung der Fitness für tausende Mutationen auf einer genomweiten Skala ermöglicht wird. 14A - 14C show schemas for GEn-TraCER. 14A shows an overview of the design components. The GEn-TraCER cassette contains guide RNA (gRNA) sequence (s) to target a specific site in the cell genome and cause dsDNA cleavage. A homologous region that is complementary to the target region mutates the PAM and other obvious desired sites. The cells undergoing recombination are selectively enriched for high abundance. Sequencing the GEn-TraCER editing cassette in the vector allows tracking of genomic changes / mutations with genome-wide tracking with a short reading. 14B Figure 12 shows an exemplary editing cartridge for the E. coli galK gene at codon 145. The PAM is deleted with the next available PAM mutation that can be made for a synonymous change at the next available PAM position. This allows mutagenesis with a "silent scar" of 1-2 nucleotides at the PAM deletion site. 14C shows GEn-TraCER cassettes that can be synthesized using array-based synthesis techniques, enabling parallel synthesis of at least 10 4 -10 6 cassettes for systematic targeting and simultaneous evaluation of fitness for thousands of mutations on a genome-wide scale.

15A zeigt einen Überblick über GEn-TraCER Vektoren. 15B zeigt einen Teil eines repräsentativen GEn-TraCER zur Erzeugung einer Y145* Mutation in dem E. coli galK Gen, in dem die PAM-Mutation und das Codon, das mutiert wird, durch 17 Nukleotide getrennt sind. Die Nukleinsäuresequenz des Teils des repräsentativen GEn-TraCER wird in SEQ ID NO: 28 bereitgestellt und die reverse, komplementäre Sequenz wird durch SEQ ID NO: 33 bereitgestellt. 15A shows an overview of GEn-TraCER vectors. 15B Figure 12 shows a portion of a representative GEn-TraCER for generating a Y145 * mutation in the E. coli galK gene in which the PAM mutation and the codon being mutated are separated by 17 nucleotides. The nucleic acid sequence of the portion of the representative GEn-TraCER is provided in SEQ ID NO: 28 and the reverse, complementary sequence is provided by SEQ ID NO: 33.

16A16C zeigen Kontrollen für das GEn-TraCER Design. 16A zeigt die Auswirkung der Größe der Editier-Kassette auf die Effizienz des Verfahrens. 16B zeigt die Auswirkung des Abstands zwischen der PAM-Mutation/Deletion und der gewünschten Mutation auf die Effizienz des Verfahrens. 16C zeigt die Auswirkung der Anwesenheit oder Abwesenheit des MutS-Systems auf die Effizienz des Verfahrens. 16A - 16C show controls for the GEn-TraCER design. 16A shows the effect of the size of the editing cartridge on the efficiency of the process. 16B shows the effect of the distance between the PAM mutation / deletion and the desired mutation on the efficiency of the method. 16C shows the effect of the presence or absence of the MutS system on the efficiency of the process.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Bakterien und Archaea CRISPR-Systeme haben sich als leistungsfähige Werkzeuge für präzises Genom Editieren herausgestellt. Das Typ-II CRISPR-System von Streptococcus pyogenes (S. pyogenes) ist in vitro besonders gut charakterisiert worden, und es sind einfache Design-Regeln zum Umprogrammieren von dessen doppelsträngiger DNA(dsDNA)-Bindungsaktivität aufgestellt worden ( Jinek et al. Science (2012) 337 (6096): 816–821 ). Die Verwendung von CRISPR-vermittelten Genom Editier-Verfahren hat sich in der Literatur schnell für eine breite Vielzahl von Organismen angesammelt, umfassend Bakterien ( Cong et al. Science (2013) 339 (6121): 819–823 ), Saccharomyces cerevisiae ( DiCarlo et al. Nucleic Acids Res. (2013) 41: 4336–4343 ), Caenorhabditis elegans ( Waaijers et al. Genetics (2013) 195: 1187–1191 ) und verschiedene Säugerzelllinien ( Cong et al. Science (2013) 339 (6121): 819–823 ; Wang et al. Cell (2013) 153: 910–918 ). Wie bei anderen Endonuklease-basierten Genom Editier-Technologien, wie beispielsweise Zink-Finger-Nukleasen (ZFNs), Homing Nukleasen und TALENEN, beruht die Fähigkeit der CRISPR-Systeme präzises Genom Editieren zu vermitteln, auf der hochspezifischen Natur der Target-Erkennung. Beispielsweise benötigt das Typ-I CRISPR-System von Escherichia coli und das S. pyogenes System eine perfekte Komplementarität zwischen der CRISPR RNA (crRNA) und einem 14–15 Basenpaar-langen Erkennungstarget, was darauf hindeutet, dass die Immunfunktionen der CRISPR-Systeme auf natürliche Weise eingesetzt werden ( Jinek et al. Science (2012) 337 (6096): 816–821 ; Brouns et al. Science (2008) 321: 960–964 ; Semenova et al. PNAS (2011) 108: 10098–10103 ).Bacteria and Archaea CRISPR systems have proven to be powerful tools for accurate genome editing. The type II CRISPR system of Streptococcus pyogenes (S. pyogenes) has been particularly well characterized in vitro, and simple design rules have been established for reprogramming its double-stranded DNA (dsDNA) binding activity. Jinek et al. Science (2012) 337 (6096): 816-821 ). The use of CRISPR-mediated genome editing techniques has rapidly accumulated in the literature for a wide variety of organisms, including bacteria ( Cong et al. Science (2013) 339 (6121): 819-823 ), Saccharomyces cerevisiae ( DiCarlo et al. Nucleic Acids Res. (2013) 41: 4336-4343 ), Caenorhabditis elegans ( Waaijers et al. Genetics (2013) 195: 1187-1191 ) and various mammalian cell lines ( Cong et al. Science (2013) 339 (6121): 819-823 ; Wang et al. Cell (2013) 153: 910-918 ). As with other endonuclease-based genome editing technologies, such as zinc finger nucleases (ZFNs), homing nucleases and TALENES, the ability of the CRISPR systems to convey precise genome editing relies on the highly specific nature of target recognition. For example, the type I CRISPR system of Escherichia coli and the S. pyogenes system require perfect complementarity between the CRISPR RNA (crRNA) and a 14-15 base pair long recognition target, suggesting that the immune functions of the CRISPR systems are on be used in a natural way ( Jinek et al. Science (2012) 337 (6096): 816-821 ; Brouns et al. Science (2008) 321: 960-964 ; Semenova et al. PNAS (2011) 108: 10098-10103 ).

Hierin werden Verfahren zum Genom Editieren beschrieben, die eine Endonuklease einsetzen, wie beispielsweise die Cas9 Nuklease, die durch ein cas9 Gen codiert wird, um direkte Genom-Evolution durchzuführen/Änderungen (Deletionen, Substitutionen, Additionen) in der DNA, wie beispielsweise genomischer DNA zu erzeugen. Das cas9 Gen kann aus jeder beliebigen Quelle erhalten werden, wie beispielsweise aus einem Bakterium, wie beispielsweise dem Bakterium S. pyogenes. Die Nukleinsäuresequenz von cas9 und/oder Aminosäuresequenz von Cas9 kann relativ zu der Sequenz eines natürlich vorkommenden cas9 und/oder Cas9 mutiert sein; Mutationen können beispielsweise ein oder mehrere Insertionen, Deletionen, Substitutionen oder jegliche Kombinationen von zwei oder mehr der zuvor genannten sein. In solchen Ausführungsformen kann das resultierende mutierte Cas9 eine erhöhte oder verminderte Nukleaseaktivität relativ zu dem natürlich vorkommenden Cas9 aufweisen.Herein described are methods for genome editing employing an endonuclease, such as the Cas9 nuclease encoded by a cas9 gene to perform direct genome evolution / changes (deletions, substitutions, additions) in the DNA, such as genomic DNA to create. The cas9 gene can be obtained from any source, such as a bacterium, such as the bacterium S. pyogenes. The nucleic acid sequence of cas9 and / or amino acid sequence of Cas9 may be mutated relative to the sequence of a naturally occurring cas9 and / or Cas9; For example, mutations may be one or more insertions, deletions, substitutions, or any combination of two or more of the foregoing. In such embodiments, the resulting mutant Cas9 may have increased or decreased nuclease activity relative to the naturally occurring Cas9.

Die 1A, 1B, und 11A zeigen ein CRISPR-vermitteltes Genom Editier-Verfahren, das als CRISPR-unterstütztes rationales Protein-Engineering (engl. CRISPR assisted rational Protein engineering, CARPE) bezeichnet wird. CARPE ist ein zweistufiges Konstruktionsverfahren, das auf der Erzeugung der „Donor-” und „Ziel-”Bibliotheken beruht, die gerichteten Mutationen von Einzelstrang-DNA (ssDNA) oder Doppelstrang-DNA (dsDNA) Editier-Kassetten direkt in das Genom einbauen. In der ersten Stufe der Donor-Konstruktion (1A), werden rational gestaltete Editier-Oligos mit einer Guide-RNA (gRNA), die an eine Target-DNA-Sequenz, wie beispielsweise eine Sequenz 5' eines offenen Leserahmens oder einer anderen Sequenz von Interesse, hybridisiert oder diese anzielt, in Zellen co-transformiert. Eine Schlüsselinnovation von CARPE ist die Gestaltung von Editier-Oligonukleotiden, die die Deletion oder Mutation eines einzigen ”Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Motivs mit der Mutation eines oder mehrerer gewünschter Codons in dem benachbarten Gen koppelt, wodurch die Erzeugung der gesamten Donor-Bibliothek in einer einzigen Transformation ermöglicht wird. Die Donor-Bibliothek wird dann durch Amplifikation der rekombinanten Chromosomen wiedergewonnen, z. B. durch eine PCR-Reaktion, unter Verwendung eines synthetischen Merkmals des Editier-Oligonukleotids; eine zweite PAM-Deletion oder Mutation wird gleichzeitig an dem 3'-Ende des Gens eingebaut. Dieser Ansatz koppelt daher die Codon-angezielten Mutationen direkt kovalent an eine PAM-Deletion. In einer zweiten Stufe von CARPE (1B) werden die PCR-amplifizierten Donor-Bibliotheken, die die Ziel-PAM-Deletion/Mutation und die gezielten Mutationen (gewünschte Mutation(en) eines oder mehrerer Nukleotide, wie beispielsweise einem oder mehreren Nukleotiden in einem oder mehreren Codons) tragen, mit einem Ziel-gRNA-Vektor in naive Zellen co-transformiert, um eine Population von Zellen zu erzeugen, die eine rational entworfene Protein-Bibliothek exprimiert.The 1A . 1B , and 11A show a CRISPR-mediated genome editing procedure called CRISPR-assisted rational protein engineering (CARPE). CARPE is a two-step construction process that relies on the generation of "donor" and "target" libraries that incorporate directed mutations of single-stranded DNA (ssDNA) or double-stranded DNA (dsDNA) editing cassettes directly into the genome. In the first stage of the donor construction ( 1A ), rationally designed editing oligos with a guide RNA (gRNA) that hybridizes to or targets a target DNA sequence, such as a sequence 5 'of an open reading frame or other sequence of interest, in cells co -transformiert. A key innovation of CARPE is the design of editing oligonucleotides that couple the deletion or mutation of a single "Protospacer Adjacent Motif" (PAM) motif with the mutation of one or more desired codons in the adjacent gene, thereby creating the entire donor library in a single transformation. The donor library is then recovered by amplification of the recombinant chromosomes, e.g. By a PCR reaction, using a synthetic feature of the editing oligonucleotide; a second PAM deletion or mutation is incorporated simultaneously at the 3 'end of the gene. This approach therefore directly covalently couples the codon-targeted mutations to a PAM deletion. In a second stage of CARPE ( 1B ) are PCR amplified donor libraries carrying the target PAM deletion / mutation and the targeted mutations (desired mutation (s) of one or more nucleotides, such as one or more nucleotides in one or more codons) Target gRNA vector co-transformed into naive cells to create a population of cells expressing a rationally designed protein library.

In dem CRISPR-System lenken die CRISPR trans-aktivierende (tracrRNA) und die Spacer-RNA (crRNA) die Auswahl einer Target-Region. Wie hierin verwendet, bezieht sich eine Target-Region auf jeden Locus in der Nukleinsäure einer Zelle oder einer Population von Zellen, in denen mindestens eine Mutation mindestens eines Nukleotids, wie beispielsweise eine Mutation mindestens eines Nukleotids in mindestens einem Codon (einem oder mehreren Codons) gewünscht wird. Die Target-Region kann beispielsweise ein genomischer Locus (genomische Target-Sequenz) oder ein extra-chromosomaler Locus sein. Die tracrRNA und crRNA können als ein einzelnes, chimäres RNA-Molekül exprimiert werden, das als eine Einzel-Guide-RNA, Guide-RNA oder gRNA bezeichnet wird. Die Nukleinsäuresequenz der gRNA umfasst eine erste Nukleinsäuresequenz, die auch als eine erste Region bezeichnet wird, die komplementär zu einer Region der Target-Region ist und eine zweite Nukleinsäuresequenz, die auch als eine zweite Region bezeichnet wird, die eine Haarnadelstruktur (engl: stem loop structure) bildet und zur Rekrutierung von Cas9 zu der Target-Region dient. In einigen Ausführungsformen ist die erste Region der gRNA komplementär zu einer Region, die sich stromaufwärts der genomischen Target-Sequenz befindet. In einigen Ausführungsformen ist die erste Region der gRNA komplementär zu mindestens einem Teil der Target-Region. Die erste Region der gRNA kann vollständig komplementär (100% komplementär) zu der genomischen Target-Sequenz sein oder eine oder mehrere Fehlpaarungen beinhalten, vorausgesetzt, dass sie ausreichend komplementär zu der genomischen Target-Sequenz ist, um Cas9 spezifisch zu hybridisieren/zu lenken und zu rekrutieren. In einigen Ausführungsformen ist die erste Region der gRNA mindestens 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, oder mindestens 30 Nukleotide lang. In einigen Ausführungsformen ist die erste Region der gRNA mindestens 20 Nukleotide lang. In einigen Ausführungsformen ist die Haarnadelstruktur, die durch die zweite Nukleinsäuresequenz gebildet wird, mindestens 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, oder 100 Nukleotide lang. In spezifischen Ausführungsformen ist die Haarnadelstruktur zwischen 80 bis 90 oder 82 bis 85 Nukleotide lang, und in weiteren spezifischen Ausführungsformen ist die zweite Region der gRNA, die eine Haarnadelstruktur bildet, 83 Nukleotide lang.In the CRISPR system, the CRISPR trans-activating (tracrRNA) and the spacer RNA (crRNA) direct selection of a target region. As used herein, a target region refers to any locus in the nucleic acid of a cell or population of cells in which at least one mutation of at least one nucleotide, such as a mutation of at least one nucleotide in at least one codon (one or more codons) it is asked for. The target region may be, for example, a genomic locus (genomic target sequence) or an extra-chromosomal locus. The tracrRNA and crRNA can be expressed as a single, chimeric RNA molecule, termed a single-guide RNA, guide RNA or gRNA. The nucleic acid sequence of the gRNA comprises a first Nucleic acid sequence, which is also referred to as a first region that is complementary to a region of the target region, and a second nucleic acid sequence, which is also referred to as a second region, which forms a hairpin structure and for the recruitment of Cas9 serves to the target region. In some embodiments, the first region of the gRNA is complementary to a region located upstream of the target genomic sequence. In some embodiments, the first region of the gRNA is complementary to at least a portion of the target region. The first region of the gRNA may be fully complementary (100% complementary) to the genomic target sequence or may include one or more mismatches, provided that it is sufficiently complementary to the target genomic sequence to specifically hybridize / direct Cas9 and to recruit. In some embodiments, the first region of the gRNA is at least 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, or at least 30 nucleotides long. In some embodiments, the first region of the gRNA is at least 20 nucleotides in length. In some embodiments, the hairpin structure formed by the second nucleic acid sequence is at least 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, or 100 nucleotides long. In specific embodiments, the hairpin structure is between 80 to 90 or 82 to 85 nucleotides in length, and in other specific embodiments, the second region of the gRNA that forms a hairpin structure is 83 nucleotides in length.

In einigen Ausführungsformen ist die Sequenz der gRNA (von der Donor-Bibliothek), die unter Verwendung des CARPE-Verfahrens in die erste Zelle eingeführt wird, die gleiche, wie die Sequenz der gRNA (von der Ziel-Bibliothek), die in die zweite/naive Zelle eingeführt wird. In einigen Ausführungsformen wird mehr als eine gRNA in die Population der ersten Zellen und/oder der Population der zweiten Zellen eingeführt. In einigen Ausführungsformen umfasst das mehr als eine gRNA-Molekül eine erste Nukleinsäuresequenz, die komplementär zu mehr als einer Target-Region ist.In some embodiments, the sequence of the gRNA (from the donor library) introduced into the first cell using the CARPE method is the same as the sequence of the gRNA (from the target library) into the second / naive cell is introduced. In some embodiments, more than one gRNA is introduced into the population of the first cells and / or the second cell population. In some embodiments, the more than one gRNA molecule comprises a first nucleic acid sequence that is complementary to more than one target region.

In dem CARPE Verfahren können Doppelstrang-DNA-Kassetten, die auch als Editier-Oligonukleotide bezeichnet werden, zur Verwendung in den beschriebenen Verfahren aus vielen Quellen erhalten werden oder daraus abstammen. Beispielsweise stammen die dsDNA-Kassetten in einigen Ausführungsformen von einer Nukleinsäure-Bibliothek, die durch nicht-homologe zufällige Rekombination (engl. non-homologous random recombination, NRR) diversifiziert wurde; solch eine Bibliothek wird als eine NRR-Bibliothek bezeichnet. In einigen Ausführungsformen werden die Editier-Oligonukleotide synthetisiert, beispielsweise durch Array-basierte Synthese. Die Länge der Editier-Oligonukleotide kann von dem Verfahren abhängen, das zur Gewinnung der Editier-Oligonukleotide verwendet wird. In einigen Ausführungsformen ist das Editier-Oligonukleotid ungefähr 500–200 Nukleotide, 75–150 Nukleotide, oder zwischen 80–120 Nukleotide lang.In the CARPE method, double-stranded DNA cassettes, also referred to as editing oligonucleotides, for use in the described methods can be obtained from or derived from many sources. For example, in some embodiments, the dsDNA cassettes are derived from a nucleic acid library that has been diversified by non-homologous random recombination (NRR); such a library is referred to as an NRR library. In some embodiments, the editing oligonucleotides are synthesized, for example, by array-based synthesis. The length of the editing oligonucleotides may depend on the method used to obtain the editing oligonucleotides. In some embodiments, the editing oligonucleotide is about 500-200 nucleotides, 75-150 nucleotides, or between 80-120 nucleotides in length.

Ein Editier-Oligonukleotid beinhaltet (a) eine Region, die homolog zu einer Target-Region der Nukleinsäure der Zelle ist und eine Mutation (bezeichnet als eine gewünschte Mutation) mindestens eines Codons relativ zu der Target-Region, und (b) eine ”Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation beinhaltet. Die PAM-Mutation kann jede Insertion, Deletion oder Substitution eines oder mehrerer Nukleotiden sein, die die Sequenz des PAM mutieren, so dass es nicht mehr von dem CRISPR-System erkannt wird. Eine Zelle, die eine PAM-Mutation umfasst kann als „immun” gegenüber CRISPR-vermittelter Tötung bezeichnet werden. Die gewünschte Mutation relativ zu der Sequenz der Target-Region kann eine Insertion, Deletion und/oder Substitution eines oder mehrerer Nukleotiden an mindestens einem Codon der Target-Region sein.An editing oligonucleotide includes (a) a region homologous to a target region of the nucleic acid of the cell and a mutation (referred to as a desired mutation) of at least one codon relative to the target region, and (b) a protospacer Adjacent Motif "(PAM) mutation. The PAM mutation may be any insertion, deletion or substitution of one or more nucleotides that mutate the sequence of the PAM so that it is no longer recognized by the CRISPR system. A cell comprising a PAM mutation may be termed "immune" to CRISPR-mediated killing. The desired mutation relative to the sequence of the target region may be an insertion, deletion and / or substitution of one or more nucleotides on at least one codon of the target region.

Das CARPE-Verfahren wird nachfolgend nur zum Zweck der Veranschaulichung in Bezug auf ein bakterielles Gen beschrieben. Diese Verfahren können auf jedes Gen(e) von Interesse angewendet werden, umfassend Gene von jedem Prokaryoten, umfassend Bakterien und Archaea, oder jedem Eukaryonten, umfassend Hefe und Säuger (umfassend humane) Gene. Das CARPE-Verfahren wurde auf dem galK Gen in dem E. coli Genom durchgeführt, teilweise aufgrund der Verfügbarkeit von Aktivitätstests für dieses Gen. Das Verfahren wurde unter Verwendung der BW23115 Elternstämme und des pSIM5-Vektors ( Datta et al. Gene (2008) 379: 109–115 ) durchgeführt, um Recombineering zu vermitteln. Das cas9 Gen wurde unter Kontrolle eines pBAD-Promotors in ein pBTBX-2-Rückrat kloniert, um die Kontrolle der Spaltungsaktivität durch Zugabe von Arabinose zu ermöglichen. Die Beurteilung der Fähigkeit selektiv synthetische dsDNA-Kassetten (127 bp) einzubauen, wurde unter Verwendung von dsDNA-Kassetten aus den NNK-Bibliotheken durchgeführt, die aus degenerierten Primern und/oder aus rational entworfenen Oligonukleotiden (Oligos), konstruiert wurden, die als Teil einer Bibliothek mit 27.000 Mitgliedern mittels Microarray-Technologie synthetisiert wurden. In beiden Fällen wurden die Oligonukleotide so entworfen, dass sie die Reste des aktiven Zentrums des galK Genprodukts mutieren. Die hocheffiziente Rückgewinnung der Donorstamm-Bibliotheken wurde basierend auf den Änderungen der Amplicongrößen verifiziert, die mit Primern gegen den galK Locus erhalten wurden. Sequenzieren dieser Kolonie-PCR-Produkte aus den NRR-Bibliotheken wies darauf hin, dass die synthetische Priming-Stelle (P1) aus der dsDNA-Kassette mit einer Effizienz von ungefähr 90–100% eingebaut wurde. Dies deutet darauf hin, dass diese Bibliotheken mit hoher Effizienz erzeugt werden können ohne von den fehleranfälligen mutS Knockout-Stämmen abhängig zu sein, die typischerweise in anderen Recombineering-basierten Editieransätzen verwendet worden sind ( Costantino et al. PNAS (2003) 100: 15748–15753 ; Wang et al. Nature (2009) 460: 894–898 ). Es trat ein Rückgang in der Effizienz der Codon-Mutationen auf (ungefähr 20%), der auf mutS-Korrekturen durch allelischen Austausch zurückzuführen sein kann. Eine vorläufige Beurteilung der Klone in den Ziel-Bibliotheken deutet darauf hin, dass die endgültige Codon-Editier-Effizienz ungefähr 10% betrug, wenn beide Phasen der Konstruktion in dem mutS+-Hintergrund durchgeführt wurden.The CARPE method will now be described for the purpose of illustration only with reference to a bacterial gene. These methods can be applied to any gene (s) of interest comprising genes from any prokaryote, including bacteria and archaea, or any eukaryotes, including yeast and mammalian (including human) genes. The CARPE procedure was performed on the galK gene in the E. coli genome, due in part to the availability of activity assays for this gene. The procedure was performed using the BW23115 parental strains and the pSIM5 vector ( Datta et al. Gene (2008) 379: 109-115 ) to facilitate recombineering. The cas9 gene was cloned under control of a pBAD promoter into a pBTBX-2 backbone to allow control of cleavage activity by the addition of arabinose. Assessment of the ability to selectively incorporate synthetic dsDNA cassettes (127 bp) was carried out using dsDNA cassettes from the NNK libraries constructed from degenerate primers and / or rationally designed oligonucleotides (oligos), part of which a library of 27,000 members were synthesized using microarray technology. In both cases, the oligonucleotides were designed to mutate the active site residues of the galK gene product. The highly efficient recovery of donor strain libraries was verified based on the changes in amplicon sizes obtained with primers against the galK locus. Sequencing of these colony PCR products from the NRR libraries indicated that the synthetic priming site (P1) from the dsDNA cassette with an efficiency of approximately 90-100% was incorporated. This suggests that these libraries can be generated with high efficiency without depending on the error-prone mutS knockout strains typically used in other recombineering-based editing approaches ( Costantino et al. PNAS (2003) 100: 15748-15753 ; Wang et al. Nature (2009) 460: 894-898 ). There was a decrease in the efficiency of codon mutations (approximately 20%), which may be due to mutS corrections by allelic exchange. A preliminary assessment of the clones in the target libraries indicates that the final codon editing efficiency was about 10% when both phases of construction were performed in the mutS + background.

Es wurde ein Vergleich mit anderen kürzlich-veröffentlichten Protokollen für co-selektierbares Editieren durchgeführt, die alternative Protokolle verwenden, die die PAM- und Codon-Mutationen nicht-kovalent verknüpfen, sondern sich stattdessen auf deren Nähe zueinander während der Replikation verlassen ( Wang et al. Nat. Methods (2012) 9: 591–593 ). In diesen nicht-kovalenten Experimenten wurden die gleichen Editier-Oligos wie oben verwendet und es wurden Anstrengungen unternommen, um deren Insertion unter Verwendung der ssDNA-Oligos zu co-selektieren, die die gleichen Donor-/Ziel-PAM-Stellen anzielen. Kolonie-Screening der resultierenden Mutanten zeigte eine hohe Effizienz in der Wiedergewinnung der PAM-Mutanten. Jedoch scheint es keine starke Co-Selektion für die Insertion von dsDNA-Editier-Kassetten zu geben. Dies kann auf die großen Unterschiede in den relativen Recombineering-Effizienzen der PAM-Ziel-Oligonukleotide und der Editier-Kassetten zurückzuführen sein, die beträchtliche chromosomale Deletionen erzeugen.A comparison was made with other recently published protocols for co-selectable editing that use alternative protocols that non-covalently link the PAM and codon mutations, but instead rely on their proximity to each other during replication ( Wang et al. Nat. Methods (2012) 9: 591-593 ). In these non-covalent experiments, the same editing oligos were used as above and efforts were made to co-select their insertion using the ssDNA oligos targeting the same donor / target PAM sites. Colony screening of the resulting mutants showed high efficiency in the recovery of PAM mutants. However, there seems to be no strong co-selection for the insertion of dsDNA editing cassettes. This may be due to the large differences in the relative recombineering efficiencies of the PAM target oligonucleotides and the editing cassettes, which generate considerable chromosomal deletions.

Die Fähigkeit, die endgültigen Editier-Effizienzen des CARPE-Verfahrens zu verbessern, können beispielsweise beurteilt werden durch Durchführen der Donor-Konstruktion in mutS-defizienten Stämmen, bevor sie in einen Wildtyp Donor-Stamm transferiert werden, in dem Bemühen den Verlust der Mutationen während der Donor-Konstruktionsphase zu verhindern. Zusätzlich kann die Allgemeingültigkeit des CARPE-Verfahrens beispielsweise durch Anwenden von CARPE auf eine Reihe von essenziellen Genen, umfassend dxs, metA, und folA, beurteilt werden. Essenzielle Gene sind unter Verwendung der beschriebenen gRNA-Designstrategien effektiv angezielt worden. Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass trotz der Genzerstörung, die während der Erzeugung der Donor-Bibliothek auftritt, die Donor-Bibliotheken effektiv konstruiert werden können und innerhalb von 1–3 Stunden nach dem Recombineering wiedererlangt werden können.The ability to improve the final editing efficiencies of the CARPE process can be evaluated, for example, by performing donor construction in mutS-deficient strains before transferring them to a wild-type donor strain in an effort to loss the mutations to prevent the donor construction phase. In addition, the generality of the CARPE method can be assessed, for example, by applying CARPE to a number of essential genes, including dxs, metA, and folA. Essential genes have been effectively targeted using the described gRNA design strategies. The results also indicate that despite the gene disruption that occurs during generation of the donor library, the donor libraries can be effectively constructed and recovered within 1-3 hours after recombineering.

Hierin werden auch Verfahren für verfolgbares, präzises Genom Editieren unter Verwendung eines CRISPR-vermittelten Systems bereitgestellt, bezeichnet als „Genome Engineering by Trackable CRISPR Enriched Recombineering” (GEn-TraCER). Die GEn-TraCER-Verfahren erzielen hocheffizientes Editieren/Mutieren unter Verwendung eines einzigen Vektors, der sowohl für die Editier-Kassette als auch für die gRNA codiert. GEN-TraCER stellt, wenn es zusammen mit paralleler DNA-Synthese, wie beispielsweise Array-basierter DNA-Synthese, verwendet wird, eine einstufige Erzeugung von tausenden präzisen Änderungen/Mutationen bereit und ermöglicht es, die Mutation durch Sequenzieren der Editier-Kassette auf dem Vektor, statt durch Sequenzieren des Genoms der Zelle (genomischer DNA), zuzuordnen. Diese Verfahren finden in Protein- und Genom Engineering-Anwendungen eine breite Verwendung, sowie zur Rekonstruktion von Mutationen, wie beispielsweise Mutationen, die in Labor-Evolutionsexperimenten identifiziert wurden.Also provided herein are methods for traceable, accurate genome editing using a CRISPR-mediated system, referred to as "Genome Engineering by Trackable CRISPR Enriched Recombination" (GEn-TraCER). The GEn-TraCER methods achieve highly efficient editing / muting using a single vector encoding both the editing cassette and the gRNA. GEN-TraCER, when used in conjunction with parallel DNA synthesis, such as array-based DNA synthesis, provides one-step generation of thousands of precise changes / mutations, and allows the mutation to be sequenced by editing the cassette on the cassette Vector instead of sequencing the genome of the cell (genomic DNA). These methods are widely used in protein and genome engineering applications as well as for the reconstruction of mutations such as mutations identified in laboratory evolution experiments.

Die Gen-TraCER-Verfahren und Vektoren kombinieren eine Editier-Kassette, die eine gewünschte Mutation und eine PAM-Mutation umfasst, mit einem Gen, das für eine gRNA codiert, auf einem einzigen Vektor, der die Erzeugung einer Bibliothek von Mutationen in einer einzigen Reaktion ermöglicht. Wie in 11B gezeigt ist, umfasst das Verfahren Einführen eines Vektors, der eine Editier-Kassette umfasst, die die gewünschte Mutation und die PAM-Mutation beinhaltet, in eine Zelle oder eine Population von Zellen. In einigen Ausführungsformen codieren die Zellen, in die der Vektor eingeführt wurde, auch für Cas9. In einigen Ausführungsformen wird ein für Cas9 codierende Gen anschließend in die Zelle oder die Population von Zellen eingeführt. Die Expression des CRISPR-Systems, das Cas9 und die gRNA beinhaltet, wird in der Zelle oder der Zellpopulation aktiviert; die gRNA rekrutiert Cas9 zu der Target-Region, wo dsDNA-Spaltung auftritt. Ohne an irgendeine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen, mutiert die homologe Region der Editier-Kassette, die komplementär zu der Target-Region ist, das PAM und das eine oder mehrere Codon der Target-Region. Zellen der Population von Zellen, die die PAM-Mutation nicht integriert haben, durchlaufen aufgrund der Cas9-vermittelten dsDNA-Spaltung nicht-editierten Zelltod. Zellen der Population von Zellen, die die PAM-Mutation integriert haben, durchlaufen keinen Zelltod; sie bleiben lebensfähig und werden selektiv auf hohe Abundanz angereichert. Es werden lebensfähige Zellen erhalten und eine Bibliothek von gezielten Mutationen bereitgestellt.The gene-TraCER methods and vectors combine an editing cassette comprising a desired mutation and a PAM mutation with a gene encoding a gRNA on a single vector which allows the generation of a library of mutations in a single vector Reaction allows. As in 11B As shown, the method comprises introducing a vector comprising an editing cassette containing the desired mutation and the PAM mutation into a cell or a population of cells. In some embodiments, the cells into which the vector was introduced also encode Cas9. In some embodiments, a gene encoding Cas9 is then introduced into the cell or population of cells. Expression of the CRISPR system, which includes Cas9 and gRNA, is activated in the cell or cell population; the gRNA recruits Cas9 to the target region where dsDNA cleavage occurs. Without wishing to be bound by any particular theory, the homologous region of the editing cassette that is complementary to the target region mutates the PAM and the one or more codons of the target region. Cells from the population of cells that did not integrate the PAM mutation undergo non-edited cell death due to Cas9-mediated dsDNA cleavage. Cells of the population of cells that have integrated the PAM mutation undergo no cell death; they remain viable and are selectively enriched for high abundance. Viable cells are obtained and a library of targeted mutations provided.

Das Verfahren des verfolgbaren Genom Editierens unter Verwendung von GEn-TraCER umfasst: (a) Einführen eines Vektors, der für mindestens eine Editier-Kassette, einen Promotor, und mindestens eine gRNA codiert, in eine Zelle oder in eine Population von Zellen, wodurch eine Zelle oder eine Population von Zellen hergestellt wird, die den Vektor umfasst (eine zweite Population von Zellen); (b) Aufrechterhalten der zweiten Population von Zellen unter Bedingungen, unter denen Cas9 exprimiert wird, wobei die Cas9 Nuklease auf dem Vektor, einem zweiten Vektor oder in dem Genom der Zellen der zweiten Population von Zellen codiert wird, was zur DNA-Spaltung und Tod von Zellen der zweiten Population von Zellen führt, die die PAM-Mutation nicht umfassen, wobei Zellen der zweiten Population von Zellen, die die PAM-Mutation umfassen, lebensfähig sind; (c) Erhalten lebensfähiger Zellen; und (d) Sequenzieren der Editier-Kassette des Vektors in mindestens einer Zelle der zweiten Population von Zellen, um die Mutation mindestens eines Codons zu identifizieren.The method of traceable genome editing using GEn-TraCER comprises: (a) introducing a vector encoding at least one editing cassette, a promoter, and at least one gRNA into a cell or population cells, thereby producing a cell or a population of cells comprising the vector (a second population of cells); (b) maintaining the second population of cells under conditions under which Cas9 is expressed, wherein the Cas9 nuclease is encoded on the vector, a second vector or in the genome of the cells of the second population of cells, resulting in DNA cleavage and death of cells of the second population of cells that do not comprise the PAM mutation, wherein cells of the second population of cells comprising the PAM mutation are viable; (c) obtaining viable cells; and (d) sequencing the editing cassette of the vector in at least one cell of the second population of cells to identify the mutation of at least one codon.

In einigen Ausführungsformen wird ein separater für cas9 codierender Vektor ebenfalls in die Zelle oder die Population von Zellen eingeführt. Einführen eines Vektors in eine Zelle oder eine Population von Zellen kann unter Verwendung jeglicher in der Technik bekannter Verfahren oder Techniken durchgeführt werden, beispielsweise können Vektoren durch Standardprotokolle eingeführt werden, wie beispielsweise Transformation, umfassend chemische Transformation und Elektroporation, Transduktion und Partikelbeschuss.In some embodiments, a separate vector encoding cas9 is also introduced into the cell or population of cells. Introduction of a vector into a cell or population of cells may be carried out using any method or technique known in the art, for example, vectors may be introduced by standard protocols, such as transformation, involving chemical transformation and electroporation, transduction and particle bombardment.

Eine Editier-Kassette umfasst (a) eine Region, die eine Target-Region einer Nukleinsäure in einer Zelle oder einer Population von Zellen erkennt (daran hybridisiert), die homolog zu der Target-Region der Nukleinsäure der Zelle ist und eine Mutation (bezeichnet als eine gewünschte Mutation) mindestens eines Nukleotids in mindestens einem Codon relativ zu der Target-Region, und (b) eine ”Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation beinhaltet. Die PAM-Mutation kann jede Insertion, Deletion oder Substitution eines oder mehrerer Nukleotide sein, die die Sequenz des PAM mutiert, so dass das mutierte PAM (PAM-Mutation) nicht durch das CRISPR-System erkannt wird. Eine Zelle, die eine solche PAM-Mutation umfasst, kann auch als „immun” gegenüber CRISPR-vermittelter Tötung bezeichnet werden. Die gewünschte Mutation, relativ zu der Sequenz der Target-Region kann eine Insertion, Deletion, und oder Substitution eines oder mehrerer Nukleotide in mindestens einem Codon der Target-Region sein. In einigen Ausführungsformen beträgt der Abstand zwischen der PAM-Mutation und der gewünschten Mutation auf der Editier-Kassette mindestens 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 Nukleotide auf der Editier-Kassette. In einigen Ausführungsformen befindet sich die PAM-Mutation mindestens 9 Nukleotide von dem Ende der Editier-Kassette. In einigen Ausführungsformen befindet sich die gewünschte Mutation mindestens 9 Nukleotide von dem Ende der Editier-Kassette.An editing cassette comprises (a) a region that recognizes (hybridizes to) a target region of a nucleic acid in a cell or a population of cells that is homologous to the target region of the nucleic acid of the cell and a mutation (referred to as a desired mutation) of at least one nucleotide in at least one codon relative to the target region, and (b) a "Protospacer Adjacent Motif" (PAM) mutation. The PAM mutation may be any insertion, deletion or substitution of one or more nucleotides that mutates the sequence of the PAM such that the mutant PAM (PAM mutation) is not recognized by the CRISPR system. A cell comprising such a PAM mutation may also be termed "immune" to CRISPR-mediated killing. The desired mutation relative to the sequence of the target region may be an insertion, deletion, or or substitution of one or more nucleotides in at least one codon of the target region. In some embodiments, the distance between the PAM mutation and the desired mutation on the editing cartridge is at least 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 , 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 nucleotides on the editing cassette. In some embodiments, the PAM mutation is at least 9 nucleotides from the end of the editing cartridge. In some embodiments, the desired mutation is at least 9 nucleotides from the end of the editing cartridge.

In einigen Ausführungsformen ist die gewünschte Mutation, relativ zu der Sequenz der Target-Region, eine Insertion einer Nukleinsäuresequenz. Die in die Target-Region insertierte Nukleinsäuresequenz kann beliebig lang sein. In einigen Ausführungsformen ist die insertierte Nukleinsäuresequenz mindestens 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, oder mindestens 2000 Nukleotide lang. In Ausführungsformen, in denen eine Nukleinsäuresequenz in die Target-Region insertiert wird, umfasst die Editier-Kassette eine Region, die mindestens 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, oder mindestens 60 Nukleotide lang ist und homolog zu der Target-Region ist.In some embodiments, the desired mutation, relative to the sequence of the target region, is an insertion of a nucleic acid sequence. The inserted into the target region nucleic acid sequence can be of any length. In some embodiments, the inserted nucleic acid sequence is at least 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, or at least 2000 nucleotides long. In embodiments in which a nucleic acid sequence is inserted into the target region, the editing cassette comprises a region comprising at least 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42 , 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, or is at least 60 nucleotides long and homologous to the target region.

Der Ausdruck ”GEn-TraCER Kassette” kann verwendet werden, um sich auf eine Editier-Kassette, Promoter, Spacer-Sequenz und mindestens einen Teil eines für eine gRNA codierenden Gens zu beziehen. In einigen Ausführungsformen codiert ein Teil des für die gRNA codierenden Gens auf der GEn-TraCER Kassette den Teil der gRNA, der komplementär zu der Target-Region ist. In einigen Ausführungsformen ist der Teil der gRNA, der komplementär zu der Target-Region ist, mindestens 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, oder mindestens 30 Nukleotide lang. In einigen Ausführungsformen ist der Teil der gRNA, der komplementär zu der Target-Region ist, 24 Nukleotide lang. In einigen Ausführungsformen umfasst die GEn-TraCER Kassette weiter mindestens zwei Priming-Stellen. In einigen Ausführungsformen können die Priming-Stellen verwendet werden, um die GEn-TraCER Kassetten zu amplifizieren, beispielsweise durch PCR. In einigen Ausführungsformen wird der Teil der gRNA, der komplementär zu der Target-Region ist, als eine Priming-Stelle verwendet.The term "GEn-Tracer cassette" may be used to refer to an editing cassette, promoter, spacer sequence, and at least a portion of a gene encoding a gRNA. In some embodiments, a portion of the gRNA-encoding gene on the GEn-TraCER cassette encodes that portion of the gRNA that is complementary to the target region. In some embodiments, the portion of the gRNA that is complementary to the target region is at least 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, or at least 30 nucleotides long. In some embodiments, the portion of the gRNA that is complementary to the target region is 24 nucleotides in length. In some embodiments, the GEn-TraCER cassette further comprises at least two priming sites. In some embodiments, the priming sites may be used to amplify the GEn-TraCER cassettes, for example by PCR. In some embodiments, the portion of the gRNA that is complementary to the target region is used as a priming site.

In dem GEn-TraCER-Verfahren können Editier-Kassetten und GEn-TraCER-Kassetten zur Verwendung in den beschriebenen Verfahren aus vielen Quellen erhalten werden, oder daraus stammen. Beispielsweise wird in einigen Ausführungsformen die Editier-Kassette synthetisiert, zum Beispiel durch Array-basierte Synthese. In einigen Ausführungsformen wird die GEn-TraCER-Kassette synthetisiert, zum Beispiel durch Array-basierte Synthese. Die Länge der Editier-Kassette und/oder GEn-TraCER-Kassette kann von den Verfahren abhängen, die zur Gewinnung der Editier-Kassette und/oder der GEn-TraCER-Kassette verwendet werden. In einigen Ausführungsformen ist die Editier-Kassette ungefähr 50–30 Nukleotide, 75–200 Nukleotide, oder zwischen 80–120 Nukleotide lang. In einigen Ausführungsformen ist die GEn-TraCER-Kassette ungefähr 50–300 Nukleotide, 75–200 Nukleotide, oder zwischen 80–120 Nukleotide lang.In the GEn-TraCER method, edit cassettes and GEn-TraCER cassettes for use in the described methods may be obtained from, or derived from, many sources. For example, in some embodiments, the editing cartridge is synthesized, for example, by array-based synthesis. In some embodiments, the GEn-TraCER cassette is synthesized, for example, by array-based synthesis. The length of the edit cassette and / or GEn-TraCER cassette may depend on the methods used to obtain the edit cassette and / or the GEn-TraCER cassette. In some embodiments, the editing cartridge is about 50-30 nucleotides, 75-200 nucleotides, or between 80-120 nucleotides long. In some embodiments, the GEn-TraCER cassette is about 50-300 nucleotides, 75-200 nucleotides, or between 80-120 nucleotides long.

In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren auch Erhalten der GEn-TraCER-Kassetten, zum Beispiel durch Array-basierte Synthese, und Konstruieren des Vektors. Verfahren zum Konstruieren eines Vektors werden dem Durchschnittsfachmann bekannt sein und können Ligieren der GEn-TraCER-Kassette in einen Vektor beinhalten. In einigen Ausführungsformen werden die GEn-TraCER-Kassetten oder eine Untergruppe (Pool) der GEn-TraCER-Kassetten vor der Konstruktion des Vektors amplifiziert, zum Beispiel durch PCR. In some embodiments, the method also includes obtaining the GEn-TraCER cassettes, for example, by array-based synthesis, and constructing the vector. Methods for constructing a vector will be known to one of ordinary skill in the art and may involve ligating the GEn-TraCER cassette into a vector. In some embodiments, GEn-TraCER cassettes or a subset (pool) of GEn-TraCER cassettes are amplified prior to construction of the vector, for example, by PCR.

Die Zelle oder die Population von Zellen, die den Vektor umfasst, und auch für Cas9 codiert, wird unter Bedingungen Aufrechterhalten oder kultiviert, unter denen Cas9 exprimiert wird. Die Cas9-Expression kann kontrolliert werden. Die hierin beschriebenen Verfahren können aufrechterhalten der Zellen unter Bedingungen beinhalten, unter denen Cas9-Expression aktiviert wird, was zur Herstellung von Cas9 führt. Spezifische Bedingungen, unter denen Cas9 exprimiert wird, werden von Faktoren abhängen, wie beispielsweise der Natur des Promotors, der verwendet wird, um Expression Cas9 zu regulieren. In einigen Ausführungsformen wird die Cas9-Expression in der Anwesenheit eines Induktormoleküls, wie beispielsweise Arabinose, induziert. Cas9-Expression tritt auf, wenn die Zelle oder die Population von Zellen, die die für Cas9-codierende DNA umfasst, sich in der Anwesenheit des Induktormoleküls befinden. In einigen Ausführungsformen wird Cas9-Expression in der Gegenwart eines Repressormoleküls unterdrückt. Expression von Cas9 tritt auf, wenn die Zelle oder die Population von Zellen, die die für Cas9-codierende DNA umfasst, sich in der Abwesenheit eines Moleküls befindet, das die Expression von Cas9 unterdrückt.The cell or population of cells comprising the vector, and also encoded for Cas9, is maintained or cultured under conditions under which Cas9 is expressed. Cas9 expression can be controlled. The methods described herein may include maintaining the cells under conditions in which Cas9 expression is activated, resulting in the production of Cas9. Specific conditions under which Cas9 is expressed will depend on factors such as the nature of the promoter used to regulate Cas9 expression. In some embodiments, Cas9 expression is induced in the presence of an inducer molecule, such as arabinose. Cas9 expression occurs when the cell or population of cells comprising the Cas9-encoding DNA is in the presence of the inducer molecule. In some embodiments, Cas9 expression is suppressed in the presence of a repressor molecule. Expression of Cas9 occurs when the cell or population of cells comprising the Cas9-encoding DNA is in the absence of a molecule that suppresses the expression of Cas9.

Die Zellen der Population von Zellen, die lebensfähig bleiben, werden erhalten oder von den Zellen getrennt, die als eine Folge von Cas9-vermittelter Tötung nicht-editierten Zelltod durchlaufen; dies kann beispielsweise durchgeführt werden durch Ausbreiten der Population von Zellen auf einer Kulturoberfläche, Wachsen lassen der lebensfähigen Zellen, die dann zur Beurteilung zur Verfügung stehen.The cells of the population of cells that remain viable are maintained or isolated from the cells that undergo non-edited cell death as a result of Cas9-mediated killing; this can be done, for example, by spreading the population of cells on a culture surface, allowing the viable cells to grow, which are then available for evaluation.

Die gewünschte Mutation, die an die PAM-Mutation gekoppelt ist, ist verfolgbar unter Verwendung des GEn-TraCER-Verfahrens durch Sequenzieren der Editier-Kassette auf dem Vektor in lebensfähigen Zellen (Zellen, die die PAM-Mutation integrieren) von der Population. Dies ermöglicht eine einfache Identifizierung der Mutation, ohne dass das Genom der Zelle sequenziert werden muss. Die Verfahren beinhalten Sequenzieren der Editier-Kassette, um die Mutation eines oder mehrerer Codons zu identifizieren. Sequenzieren der Editier-Kassette kann als ein Bestandteil des Vektors erfolgen oder nach der Trennung des Vektors und gegebenenfalls Amplifikation, durchgeführt werden. Sequenzieren kann unter Verwendung jeglicher in der Technik bekannter Sequenzier-Verfahren durchgeführt werden, wie beispielsweise durch Sanger-Sequenzieren.The desired mutation coupled to the PAM mutation is traceable using the GEn-TraCER method by sequencing the editing cassette on the vector into viable cells (cells that incorporate the PAM mutation) from the population. This allows easy identification of the mutation without having to sequence the genome of the cell. The methods include sequencing the editing cartridge to identify the mutation of one or more codons. Sequencing of the editing cassette may be done as part of the vector or after separation of the vector and optionally amplification. Sequencing can be performed using any of the sequencing techniques known in the art, such as by Sanger sequencing.

Die hierin beschriebenen Verfahren können in jedem Zelltyp durchgeführt werden, in dem das CRISPR-System funktionieren kann (z. B. DNA anzielen und schneiden), umfassend prokaryotische und eukaryotische Zellen. In einigen Ausführungsformen ist die Zelle eine bakterielle Zelle, wie beispielsweise Escherichia spp. (z. B., E. coli). In anderen Ausführungsformen ist die Zelle eine Pilzzelle, wie beispielsweise eine Hefezelle, z. B. Saccharomyces spp. In anderen Ausführungsformen ist die Zelle eine Algenzelle, eine Pflanzenzelle, eine Insektenzelle, oder eine Säugerzelle, umfassend eine humane Zelle.The methods described herein can be performed in any cell type in which the CRISPR system can function (e.g., target and cut DNA), including prokaryotic and eukaryotic cells. In some embodiments, the cell is a bacterial cell, such as Escherichia spp. (eg, E. coli). In other embodiments, the cell is a fungal cell, such as a yeast cell, e.g. B. Saccharomyces spp. In other embodiments, the cell is an algal cell, a plant cell, an insect cell, or a mammalian cell comprising a human cell.

Ein „Vektor” ist jede Art von Nukleinsäure, die eine gewünschte Sequenz oder Sequenzen umfasst, die an eine Zelle geliefert oder darin exprimiert werden sollen. Die gewünschte Sequenz(en) kann in einen Vektor eingebaut werden, beispielsweise durch Restriktion und Ligation oder durch Rekombination. Die Vektoren sind üblicherweise aus DNA zusammengesetzt, obwohl RNA-Vektoren ebenfalls erhältlich sind. Vektoren umfassen, aber sind nicht beschränkt auf: Plasmide, Fosmide, Phagemide, Virus-Genome und künstliche Chromosomen.A "vector" is any type of nucleic acid comprising a desired sequence or sequences to be delivered to or expressed in a cell. The desired sequence (s) can be incorporated into a vector, for example by restriction and ligation or by recombination. The vectors are usually composed of DNA, although RNA vectors are also available. Vectors include, but are not limited to: plasmids, fosmids, phagemids, virus genomes and artificial chromosomes.

Vektoren, die in dem GEN-TraCER-Verfahren nützlich sind, umfassen mindestens eine wie hierin beschriebene Editier-Kassette, einen Promotor, und mindestens ein für eine gRNA codierendes Gen. In einigen Ausführungsformen ist mehr als eine Editier-Kassette (beispielsweise 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr Editier-Kassetten) auf einem Vektor enthalten. In einigen Ausführungsformen ist die mehr als eine Editier-Kassette homolog zu verschiedenen Target-Regionen (z. B. gibt es verschiedene Editier-Kassetten, von denen jede zu einer anderen Target-Region homolog ist). Alternativ oder zusätzlich kann der Vektor mehr als ein Gen enthalten, das für eine gRNA codiert (z. B. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr gRNAs). In einigen Ausführungsformen enthält die mehr als eine gRNA Regionen, die komplementär zu einem Teil von verschiedenen Target-Regionen sind (z. B. gibt es verschiedene gRNAs, von denen jede zu einer anderen Target-Region homolog ist).Vectors useful in the GEN-TraCER method include at least one editing cassette as described herein, a promoter, and at least one gene encoding a gRNA. In some embodiments, more than one editing cartridge (eg, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, or more editing cartridges) is contained on a vector. In some embodiments, the more than one editing cartridge is homologous to different target regions (e.g., there are several editing cartridges, each of which is homologous to a different target region). Alternatively or additionally, the vector may contain more than one gene encoding a gRNA (eg, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more gRNAs). In some embodiments, the more than one gRNA contains regions that are complementary to a portion of different target regions (eg, there are different gRNAs, each of which is homologous to a different target region).

In einigen Ausführungsformen wird eine eine GEn-TraCER-Kassette, die mindestens eine Editier-Kassette, einen Promoter und ein Gen umfasst, das für einen Teil einer gRNA codiert, in einen Vektor ligiert, der für einen anderen Teil einer gRNA codiert. Nach der Ligation ist der Teil der gRNA der GEn-TraCER-Kassette und der andere Teil der gRNA ligiert und bildet eine funktionelle gRNA.In some embodiments, a GEn-TraCER cassette comprising at least one editing cassette, a promoter, and a gene encoding a portion of a gRNA is ligated into a vector that encodes a different portion of a gRNA. After ligation, the portion of the gRNA of the GEn-TraCER cassette and the other portion of the gRNA are ligated to form a functional gRNA.

Der Promotor und das für die gRNA codierende Gen sind operativ verknüpft. In einigen Ausführungsformen umfassen die Verfahren Einführen eines zweiten Vektors, der für Cas9 codiert. In solchen Ausführungsformen kann der Vektor weiter einen oder mehrere Promotoren umfassen, die operativ an ein Gen verknüpft sind, das für Cas9 codiert. Wie hierin verwendet, bedeutet „operativ” verknüpft, dass der Promotor die Transkription der DNA bewirkt oder reguliert, die für ein Gen codiert, wie beispielsweise das Gen, das für die gRNA codiert oder das Gen, das für Cas9 codiert. Der Promotor kann ein nativer Promotor sein (ein Promoter, der in der Zelle, in die der Vektor eingeführt wird, vorliegt). In einigen Ausführungsformen ist der Promotor ein induzierbarer oder reprimierbarer Promotor (der Promotor wird reguliert, um eine induzierbare oder reprimierbare Transkription eines Gens zu ermöglichen, wie beispielsweise des Gens, das für die gRNA codiert oder des Gens, das für Cas9 codiert), wie beispielsweise Promotoren, die durch die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Moleküls reguliert werden (z. B. ein Induktor oder ein Repressor). Die Art des Promotors, der für die Expression der gRNA benötigt wird, kann basierend auf den Spezien oder Zelltypen variieren und wird von einem Fachmann erkannt werden. The promoter and the gene encoding the gRNA are operably linked. In some embodiments, the methods include introducing a second vector encoding Cas9. In such embodiments, the vector may further comprise one or more promoters operably linked to a gene encoding Cas9. As used herein, "operatively" means that the promoter effects or regulates transcription of the DNA encoding a gene, such as the gene encoding the gRNA or the gene encoding Cas9. The promoter may be a native promoter (a promoter present in the cell into which the vector is introduced). In some embodiments, the promoter is an inducible or repressible promoter (the promoter is regulated to facilitate inducible or repressible transcription of a gene, such as the gene encoding the gRNA or the gene encoding Cas9), such as Promoters that are regulated by the presence or absence of a molecule (eg, an inducer or a repressor). The type of promoter required for expression of the gRNA may vary based on the species or cell types and will be recognized by one skilled in the art.

In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren Einführen eines separaten für Cas9 codierenden Vektors in die Zelle oder Population von Zellen vor oder gleichzeitig mit dem Einführen des Vektors, der mindestens eine wie hierin beschriebene Editier-Kassette, einen Promotor und mindestens eine gRNA umfasst. In einigen Ausführungsformen wird das für Cas9 codierende Gen in das Genom der Zelle oder Population von Zellen integriert. Die Cas9-codierende DNA kann vor dem Einführen des Vektors, der mindestens eine wie hierin beschriebene Editier-Kassette, einen Promotor, und mindestens eine gRNA umfasst, oder nach dem Einführen des Vektors, der mindestens eine wie hierin beschriebene Editier-Kassette, einen Promotor, und mindestens eine gRNA umfasst, in das zelluläre Genom integriert werden. Alternativ kann ein Nukleinsäuremolekül, wie beispielsweise eine für Cas9-codierende DNA, von der in das Genom integrierten DNA exprimiert werden. In einigen Ausführungsformen wird das für Cas9 codierende Gen in das Genom der Zelle integriert.In some embodiments, the method comprises introducing a separate Cas9-encoding vector into the cell or population of cells before or simultaneously with introducing the vector comprising at least one editing cassette as described herein, a promoter, and at least one gRNA. In some embodiments, the gene encoding Cas9 is integrated into the genome of the cell or population of cells. The Cas9-encoding DNA may comprise a promoter prior to introduction of the vector comprising at least one editing cassette as described herein, a promoter, and at least one gRNA, or after insertion of the vector containing at least one editing cassette as described herein , and at least one gRNA comprises integrated into the cellular genome. Alternatively, a nucleic acid molecule, such as a DNA encoding Cas9, can be expressed by the DNA integrated into the genome. In some embodiments, the gene encoding Cas9 is integrated into the genome of the cell.

Vektoren, die für die hierin beschriebenen GEn-TraCER-Verfahren nützlich sind, können weiter eines Spacer-Sequenz, zwei oder mehr Priming-Stellen oder sowohl eine Spacer-Sequenz als auch zwei oder mehr Priming-Stellen umfassen. In einigen Ausführungsformen ermöglicht die Anwesenheit der Priming-Stellen, die die GEn-TraCER-Kassette flankieren, Amplifikation der Nukleinsäuresequenzen der Editier-Kassette, des Promotors und der gRNA.Vectors useful for the GEn-TraCER methods described herein may further comprise a spacer sequence, two or more priming sites, or both a spacer sequence and two or more priming sites. In some embodiments, the presence of the priming sites flanking the GEn-TraCER cassette allows for amplification of the nucleic acid sequences of the editing cassette, promoter, and gRNA.

BEISPIELEEXAMPLES

Beispiel 1: Verwendung des CARPE-Verfahrens um galK zu editierenExample 1: Using the CARPE method to edit galK

Der CARPE-Ansatz wurde auf dem Galactokinase Gen, galK, in dem E. coli Genom durchgeführt; es gibt viele verfügbare Assays, um die Aktivität des Genprodukts zu untersuchen. Diese Experimente wurden unter Verwendung des E. coli BW23115 Elternstamms und dem pSIM5 Vektor ( Datta et al. Gene (2008) 379: 109–115 ) durchgeführt, um Recombineering zu vermitteln. Das für Cas9-codierende Gen wurde unter Kontrolle eines pBAD-Promotors in das pBTBX-2-Rückgrat kloniert, um die Kontrolle der Cas9-Spaltungsaktivität durch Zugabe von Arabinose zu dem Kulturmedium zu ermöglichen.The CARPE approach was performed on the galactokinase gene, galK, in the E. coli genome; There are many available assays to study the activity of the gene product. These experiments were performed using the E. coli BW23115 parent and the pSIM5 vector ( Datta et al. Gene (2008) 379: 109-115 ) to facilitate recombineering. The Cas9-encoding gene was cloned into the pBTBX-2 backbone under control of a pBAD promoter to allow control of Cas9 cleavage activity by adding arabinose to the culture medium.

Zunächst wurde die Fähigkeit getestet selektiv synthetische dsDNA-Kassetten (127 bp) einzubauen. Die synthetischen dsDNA-Kassetten stammen aus NNR-Bibliotheken, die aus degenerierten Primern oder aus rational entworfenen Oligos konstruiert wurden, die als Teil einer Bibliothek mit 27.000 Mitgliedern mittels Microarray-Technologie synthetisiert wurden. In beiden Fällen wurden die Oligonukleotide entworfen, um die Reste des aktiven Zentrums des galK Genprodukts zu mutieren, als auch die synthetische Priming-Stelle, P1 (SEQ ID NO: 1) zu enthalten. Die hocheffiziente Rückgewinnung der Donorstamm-Bibliotheken wurde basierend auf den Änderungen der Amplicongrößen verifiziert, die durch Kolonie-PCR mit Primern gegen den galK Locus erhalten wurden. Sequenzieren dieser Kolonie-PCR-Produkte aus den NNR-Bibliotheken wies darauf hin, dass die synthetische Priming-Stelle (P1) aus den dsDNA-Kassetten mit einer Effizienz von ungefähr 90–100% eingebaut wurde (2). Dieses überraschende und unerwartete Ergebnis deutet darauf hin, dass Bibliotheken mit hoher Effizienz erzeugt werden können, ohne auf die fehleranfälligen mutS Knockout-Stämme angewiesen zu sein, die typischerweise in anderen Recombineering-basierten Editier-Ansätzen verwendet worden sind ( Costantino et al. PNAS (2003) 100: 15748–15753 ; Wang et al. Nature (2009) 460: 894–898 ). Jedoch gab es einen Rückgang in der Effizienz der Codon-Mutationen (ungefähr 20%), der auf eine Korrektur durch MutS während dem allelischen Austausch zurückzuführen sein kann. In dieser Arbeit betrug die endgültige Codon-Editier-Effizienz ungefähr 10% wenn beide Phasen der Konstruktion in dem mutS+-Hintergrund durchgeführt wurden.Initially, the ability to selectively incorporate synthetic dsDNA cassettes (127 bp) was tested. The synthetic dsDNA cassettes are derived from NNR libraries constructed from degenerate primers or rationally designed oligos synthesized as part of a library of 27,000 members using microarray technology. In both cases, the oligonucleotides were designed to mutate the active site residues of the galK gene product as well as contain the synthetic priming site, P1 (SEQ ID NO: 1). The highly efficient recovery of donor strain libraries was verified based on the changes in amplicon sizes obtained by colony PCR with primers against the galK locus. Sequencing of these colony PCR products from the NNR libraries indicated that the synthetic priming site (P1) was incorporated from the dsDNA cassettes with an efficiency of approximately 90-100% ( 2 ). This surprising and unexpected result suggests that libraries can be generated with high efficiency without relying on the error-prone mutS knockout strains typically used in other recombineering-based editing approaches ( Costantino et al. PNAS (2003) 100: 15748-15753 ; Wang et al. Nature (2009) 460: 894-898 ). However, there was a decrease in the efficiency of codon mutations (approximately 20%), which may be due to correction by MutS during the allelic replacement. In this work, the final codon editing efficiency was about 10% when both phases of construction were performed in the mutS + background.

Um die endgültigen Editier-Effizienzen und die Allgemeingültigkeit des CARPE-Verfahrens zu erhöhen, kann die Donor-Konstruktion in mutS-defizienten Stämmen vor dem Transferieren in einen mutS+-Donor Stamm durchgeführt werden, in der Bemühungen den Verlust von Mutationen während der Donor-Konstruktionsphase zu verhindern.To increase the final editing efficiencies and generality of the CARPE process, donor construction can be performed in mutS-deficient strains prior to transfer to a mutS + donor strain in which Efforts to prevent the loss of mutations during the donor construction phase.

Beispiel 2: Verwendung des CARPE-Verfahren, um essenzielle Gene anzuzielenExample 2: Use of the CARPE method to target essential genes

Um die Allgemeingültigkeit des CARPE-Ansatzes zu testen, wurde das oben beschriebene Verfahren auf eine Reihe essenzieller Gene angewendet, umfassend dxs, metA, und folA. Essenzielle Gene können unter Verwendung der gRNA-Designstrategien angezielt werden (3).To test the generality of the CARPE approach, the method described above was applied to a number of essential genes, including dxs, metA, and folA. Essential genes can be targeted using gRNA design strategies ( 3 ).

Daten aus CARPE-Experimenten, die das dxs Gen anzielen, legen auch nahe, dass trotz der Genzerstörung, die während der Erzeugung der Donor-Bibliothek auftritt, es möglich ist, die Donor-Bibliotheken effektiv zu konstruieren und innerhalb von 1–3 Stunden nach dem Recombineering wiederzugewinnen.Data from CARPE experiments targeting the dxs gene also suggest that, in spite of the gene disruption that occurs during donor library generation, it is possible to construct the donor libraries effectively and within 1-3 hours to regain the recombineering.

Beispiel 3: Verwendung des CARPE-Verfahrens, um die Produktion von Isopentenol zu modulieren.Example 3: Use of the CARPE process to modulate the production of isopentenol.

Die Jagd nach besseren Treibstoffen für die industrielle Fertigung mittels bakterieller Produktion erfordert die Fähigkeit State-of-the-Art Genom-Design, Engineering, und Screenen für das gewünschte Produkt durchführen zu können. Wir haben bereits die Fähigkeit nachgewiesen, die Expressionslevel jedes Gens in dem E. Coli Genom zu modifizieren ( Warner et al. Nat. Biotechnol (2010) 28: 856–862 ). Dieses Verfahren, genannt verfolgbares Multiplex Recombineering (engl.: trackable multiplex recombineering, TRMR), erzeugt eine Bibliothek von ungefähr 8000 genomisch-modifizierten Zellen (~4000 überexprimierte Gene und ~4000 knock-down Gene). Diese Bibliothek wurde später unter verschiedenen Bedingungen gescreent, was ein tieferes Verständnis der Aktivitäten der Genprodukte ermöglichte und unter diesen Selektionen zu leistungsfähigeren Stämmen führte. TRMR ermöglicht die Modifikation der Proteinexpression auf zwei Ebenen (überexprimiert und knock-down), aber es ermöglichte nicht die Modifikation des offenen Leserahmens (engl. open reading frame; ORF). Hier wollen wir große Bibliotheken von ORF-Modifikationen erzeugen und ganze Stoffwechselwege für die optimale Produktion von Biokraftstoffen konstruieren.The quest for better fuel for industrial manufacturing through bacterial production requires the ability to perform state-of-the-art genome design, engineering, and screening for the desired product. We have already demonstrated the ability to modify the expression levels of each gene in the E. coli genome ( Warner et al. Nat. Biotechnol (2010) 28: 856-862 ). This technique, called Traceable Multiplex Recombination (TRMR), generates a library of approximately 8,000 genomically-modified cells (~4,000 overexpressed genes and ~4,000 knock-down genes). This library was later screened under various conditions, allowing for a deeper understanding of the activities of the gene products and leading to more efficient strains among these selections. TRMR allows the modification of protein expression at two levels (overexpressed and knock-down), but it did not allow the modification of the open reading frame (ORF). Here we want to create large libraries of ORF modifications and construct whole metabolic pathways for the optimal production of biofuels.

Eine Hauptschwierigkeit bei der Produktion solcher Bibliotheken, die (im Gegensatz zu zufälliger Mutagenese) rational entworfen werden, ist die Insertionseffizienz der gewünschten Mutationen in die Target-Zellen. Beim Recombineering, dem kanonischen Verfahren für Genom-Modifikationen in E. coli, werden rekombinante Gene des Lambda Phagen verwendet, um die Insertion fremder DNA in das Wirtsgenom zu erleichtern. Jedoch leidet dieser Prozess an geringen Effizienzen und kann entweder durch Zugabe eines antibiotischen Resistenzgens, gefolgt von Selektion (wie in TRMR), oder durch rekursives Veranlassen von Rekombinationsereignissen überwunden werden (d. h. durch MAGE ( Wang et al. Nature (2008) 460: 894–898 ). Das hierin beschriebene CARPE-Verfahren erhöht die Recombineeringseffizienz durch Einbeziehen der Verwendung des CRISPR-Systems, wodurch alle nicht-rekombinanten Zellen aus der Population entfernt werden. CRISPR ist ein kürzlich entdeckter RNA-basierter, adaptiver Abwehrmechanismus von Bakterien und Archaea gegen eindringende Phagen und Plasmide ( Bhaya et al. Ann. Rev. of Genetics (2011) 45: 273–297 ). Dieses System durchlief massives Engineering, um sequenz-gerichtete Doppelstrangbrüche unter Verwendung von zwei Plasmiden zu ermöglichen; ein Plasmid codiert für die CRISPR-assoziierte Nuklease Cas9 und das zweite Plasmid codiert für die sequenz-spezifische Guide-RNA (gRNA), die Cas9 an seine einzigartige Lage führt ( Qi et al. Cell (2013) 45: 273–297 ). Das CARPE-Verfahren nutzt die Fähigkeit des CRISPR Systems in einer Sequenz-abhängigen Art und Weise Doppelstrangbrüche, und infolgedessen den Zelltod zu induzieren. Wir produzieren DNA-Recombineering-Kassetten, die zusätzlich zu der gewünschten Mutation innerhalb des ORFs, eine Mutation an einem gemeinsamen Ort außerhalb des offenen Leserahmens des Gens beinhalten, der durch die CRISPR-Maschinerie angezielt wird. Dieser Ansatz der Verknüpfung/Kopplung der gewünschten Mutationen mit der Vermeidung von CRISPR-vermitteltem Tod, aufgrund der PAM Mutation/Deletion ermöglicht eine dramatische Anreicherung manipulierter Zellen innerhalb der gesamten Population von Zellen.A major difficulty in producing such libraries that are rationally designed (as opposed to random mutagenesis) is the insertion efficiency of the desired mutations into the target cells. Recombinering, the canonical method for genome modifications in E. coli, uses recombinant lambda phage genes to facilitate the insertion of foreign DNA into the host genome. However, this process suffers from low efficiencies and can be overcome either by addition of an antibiotic resistance gene followed by selection (as in TRMR) or by recursively causing recombination events (ie by MAGE (FIG. Wang et al. Nature (2008) 460: 894-898 ). The CARPE method described herein increases recombination efficiency by incorporating the use of the CRISPR system, thereby removing all non-recombinant cells from the population. CRISPR is a recently discovered RNA-based, adaptive defense mechanism of bacteria and archaea against invading phages and plasmids ( Bhaya et al. Ann. Rev. of Genetics (2011) 45: 273-297 ). This system underwent massive engineering to allow for sequence-directed double-strand breaks using two plasmids; one plasmid codes for the CRISPR-associated nuclease Cas9 and the second plasmid codes for the sequence-specific guide RNA (gRNA), which leads Cas9 to its unique position ( Qi et al. Cell (2013) 45: 273-297 ). The CARPE method utilizes the ability of the CRISPR system in a sequence-dependent manner to disrupt double-strand breaks and, as a result, to induce cell death. We produce DNA recombineering cassettes that contain, in addition to the desired mutation within the ORF, a mutation at a common location outside the open reading frame of the gene targeted by the CRISPR machinery. This approach of linking / coupling the desired mutations to avoiding CRISPR-mediated death due to PAM mutation / deletion allows for dramatic enrichment of engineered cells within the entire population of cells.

Das Verfahren wurde weiter unter Verwendung des DXS-Wegs demonstriert. Der DSX-Weg führt zu Produktion von Isopentenyl-Pyrophosphat (IPP), das zur Biosynthese von Terpenen und Terpenoiden führt. Interessanterweise kann IPP auch der Vorläufer von Lycopin und Isopentenol sein, die Zugabe der benötigten Gene vorausgesetzt. Während Lycopin die Bakterienkolonien rot färbt, und daher einfach screenbar ist, wird Isopentenol als ein Biokraftstoff der ,zweiten Generation' mit einer höheren Energiedichte und einer geringeren Wassermischbarkeit als Ethanol betrachtet. Es wurden drei Proteine zum Engineering ausgewählt: 1) DSX, das erste und das geschwindigkeitsbegrenzende der Enzym des Weges, 2) IspB, das den metabolischen Fluss aus dem DXS-Weg umleitet, und 3) NudF, für das gezeigt wurde, dass es IPP sowohl in E. coli als auch B. subtilis in Isopentenol umsetzt ( Withers et al. App. Environ. Microbiol (2007) 73: 6277–6283 ; Zheng et al. Biotechnol. for biofuels (2013) 6: 57 ). Die Mutationen in den Genen, die für DXS und IspB codieren, werden mit einem neuen Bildanalysewerkzeug, das für die Quantifizierung der Koloniefarbe entwickelt wurde, auf erhöhte Lycpon Produktion gescreent. Die NudF-Aktivität wird direkt durch Messen der Isopentenol-Spiegel durch GC/MS und indirekt durch Isopentenol-auxotrophe Zellen gemessen, die als Biosensoren dienen werden. Dieses Verfahren bietet die Möglichkeit mit hoher Genauigkeit und Effizienz große Mutationsbibliotheken in dem E. coli-Genom und einem Stamm, der hohe Ausbeuten an Isopentenol erzeugt, rational zu konstruieren.The method was further demonstrated using the DXS pathway. The DSX pathway leads to the production of isopentenyl pyrophosphate (IPP), which leads to the biosynthesis of terpenes and terpenoids. Interestingly, IPP may also be the precursor of lycopene and isopentenol, assuming the addition of the required genes. While lycopene turns the bacterial colonies red, and therefore easily screenable, isopentenol is considered a second generation biofuel with a higher energy density and lower water miscibility than ethanol. Three proteins were selected for engineering: 1) DSX, the first and rate-limiting enzyme of the pathway, 2) IspB, which redirects the metabolic flux out of the DXS pathway, and 3) NudF, which was shown to be IPP in both E. coli and B. subtilis isopentenol ( Withers et al. App. Environ. Microbiol (2007) 73: 6277-6283 ; Zheng et al. Biotechnol. for biofuels (2013) 6: 57 ). The mutations in the genes encoding DXS and IspB are screened for increased lycopene production with a new image analysis tool designed to quantify colony color. The NudF activity is measured directly by measuring the Isopentenol levels are measured by GC / MS and indirectly by isopentenol auxotrophic cells that will serve as biosensors. This method offers the possibility of rationally constructing large mutation libraries in the E. coli genome and a strain producing high yields of isopentenol with high accuracy and efficiency.

Beispiel 4: Verwendung des GEn-TraCER-Verfahrens, um galK zu ändernExample 4: Using the GEn-TraCER method to change galK

Das GEn-TraCER-Verfahren wurde verwendet, um das galK-Gen zu editieren, welches als ein Modelsystem für Recombineering in E. coli gedient hat ( Vu et al. 2000 ). Die ersten konstruierten GEn-TraCER-Kassetten wurden so entworfen, dass sie ein Stopp-Codon anstelle eines PAMs im Leseraster am Codon 24 des galK einführen, bezeichnet als galK_Q24 (12). Die Konstrukte und Vektoren wurden unter Verwendung eines benutzerdefinierten Python-Skripts zur Erzeugung der erforderlichen Mutationen in hohem Durchsatz entworfen.The GEn-TraCER method was used to edit the galK gene, which served as a model system for recombineering in E. coli ( Vu et al. 2000 ). The first GEn-TraCER cassettes constructed were designed to introduce a stop codon in-frame at codon 24 of the galK, instead of a PAM, labeled galK_Q24 (FIG. 12 ). The constructs and vectors were designed using a custom Python script to generate the required high throughput mutations.

Kontroll-Kassetten wurden unter Verwendung des zirkulären Polymerase-Klonier-Verfahrens (engl. Polymerase cloning, OPEC) in den durch Qi et al. Cell (2013) beschriebenen gRNA-Vektor kloniert. Das Rückgrat wurde mit den folgenden Primern linearisiert: CCAGAAATCATCCTTAGCGAAAGCTAAGGAT (SEQ ID NO: 29) und GTTTTAGAGCTAGAAATAGCAAGTTAAAATAAGGCT (SEQ ID NO: 30).Control cassettes were prepared by using the circular polymerase cloning method (OPEC) in U.S. Patent Nos. 3,846,769 and 5,402,854 Qi et al. Cell (2013) cloned gRNA vector described. The backbone was linearized with the following primers: CCAGAAATCATCCTTAGCGAAAGCTAAGGAT (SEQ ID NO: 29) and GTTTTAGAGCTAGAAATAGCAAGTTAAAATAAGGCT (SEQ ID NO: 30).

Die GenTRACER-Kassetten wurden als gBlocks bestellt und unter Verwendung der folgenden Primer amplifiziert: ATCACGAGGCAGAATTTCAGATAAAAAAAATCCTTAGCTTTCGCTAAGGATGATTTCTGG (SEQ ID NO: 31), ACTTTTTCAAGTTGATAACGGACTAGCCTTATTTTAACTTGCTATTTCTAGCTCTAAAAC (SEQ ID NO: 32).The GenTRACER cassettes were ordered as gBlocks and amplified using the following primers: ATCACGAGGCAGAATTTCAGATAAAAAATCCTTAGCTTTCGCTAAGGATGATTTCTGG (SEQ ID NO: 31), ACTTTTCAAGTTGATAACGGACTAGCCTTATTTTAACTTGCTATTTCTAGCTCTAAAAC (SEQ ID NO: 32).

Die Bestandteile wurden unter Verwendung von OPEC zusammengefügt und in E. coli transformiert, um die Vektoren zu erzeugen. Diese Prozedur ist in multiplex unter Verwendung der gepoolten Oligonukleotid-Bibliotheken mit Klonierungseffizienzen im Bereich von 104–105 CFU/μg durchzuführen.The components were assembled using OPEC and transformed into E. coli to generate the vectors. This procedure is to be performed in multiplex using the pooled oligonucleotide libraries with cloning efficiencies in the range of 10 4 -10 5 CFU / μg.

E. coli MG1655 Zellen, die pSIM5 (Lambda-RED Plasmid) und das X2-cas9 Plasmid tragen, wurden bei 30°C in LB mit 50 μg/mL Kanamycin und 34 μg/mL Chloramphenicol bis zur mittleren log-Phase (0.4–0.7 OD) gezüchtet. Die Recombineering-Funktionen des pSIM5-Vektor wurden bei 42°C für 15 min induziert und anschließend für 10 min auf Eis gestellt. Die Zellen wurden dann durch Pelletieren und 2-maliges Waschen mit 10 mL gekühltem H2O elektrokompetent gemacht. Die Zellen wurden mit 100 ng eines GEn-TraCER Plasmids (das auch für eine Carbenicillin-Resistenz codiert) transformiert und erholten sich für 3 Stunden bei 37°. 50–100 μL der Zellen wurden auf das geeignete Medium ausplattiert, das 50 μg/mL Kanamycin und 100 μg/ml Carbenecillin enthält, um die CRISPR-editierten Stämme selektiv anzureichern. Editier-Effizienzen für das galK Gen wurden unter Verwendung eines rotweiß-Screenings auf mit Galaktose supplementiertem MacConkey Agar berechnet.E. coli MG1655 cells carrying pSIM5 (Lambda-RED plasmid) and the X2-cas9 plasmid were incubated at 30 ° C in LB with 50 μg / mL kanamycin and 34 μg / mL chloramphenicol until mid-log phase (0.4- 0.7 OD). The recombineering functions of the pSIM5 vector were induced at 42 ° C for 15 min and then placed on ice for 10 min. The cells were then made electrocompetent by pelleting and washing 2 times with 10 mL of cooled H 2 O. The cells were transformed with 100 ng of GEn-TraCER plasmid (which also encodes carbenicillin resistance) and recovered at 37 ° for 3 hours. 50-100 μL of the cells were plated on the appropriate medium containing 50 μg / mL kanamycin and 100 μg / mL carbenecillin to selectively enrich the CRISPR-edited strains. Editing efficiencies for the galK gene were calculated using red and white screening on galactose supplemented MacConkey agar.

Basierend auf einem Screening auf MacConkey Agar wurden Editier-Effizienzen von ~100% mit dem galK_Q24* Design beobachtet. Interessanterweise gab es, im Gegensatz zu Oligo-vermittelten Recombineering-Verfahren, die Mismatch-Repair-Knockouts benötigen, um hohe Effizienzen zu erzielen ( Li et al. 2003 ; Sawitzke et al. 2011 ; Wang et al. 2011 ), keinen Effekt in Stämmen mit oder ohne intakter Mismatch-Reparatur-Maschinerie.Based on a screening on MacConkey Agar, editing efficiencies of ~ 100% were observed with the galK_Q24 * design. Interestingly, in contrast to oligo-mediated recombineering, mismatch repair knockouts were required to achieve high efficiencies ( Li et al. 2003 ; Sawitzke et al. 2011 ; Wang et al. 2011 ), no effect in strains with or without intact mismatch repair machinery.

Die Sequenzen der Chromosomen und Vektoren wurden anschließend durch Sanger-Sequenzieren verifiziert.The sequences of the chromosomes and vectors were then verified by Sanger sequencing.

Wie erwartet, wurden die entworfenen Mutationen auf dem Chromosom (13) gespiegelt, was darauf hindeutet, dass die Mutation an beiden Orten vorhanden war und dass das Plasmid als transagierende Barcode (trans-Barcode) oder als Aufzeichnung der Genomänderung dient.As expected, the designed mutations on the chromosome ( 13 ), suggesting that the mutation was present at both sites and that the plasmid serves as transaging barcode (trans-barcode) or as a record of genome alteration.

Das Design wurde für rationale Mutagenese von Protein-codierenden Rastern auf einer genomweiten Skala adaptiert, durch Erzeugen ”stiller, selektierbarer Narben”, die aus synonymen PAM-Mutationen (14B, ΔPAM) bestehen, um die Zellen gegen Cas9-vermittelte Spaltung zu „immunisieren”, aber das Translationsprodukt intakt lassen. Wir schlussfolgerten, dass die stillen Narben eine Co-Selektion auf nahegelegene Änderungen an einem Codon oder anderen Merkmalen von Interesse mit hoher Effizienz erlauben. Die Wirkungen der Armlänge der Homologie und des Abstands zwischen der PAM-Mutation/Deletion und der gewünschten Mutation in galK wurden untersucht und die Effizienzen verglichen (16B). Es wurde ein signifikanter Anstieg in der Mutationseffizienz an der galK Position 145 beobachtet, wenn die Armlänge der Homologie auf 80 bis 100 Nukleotide (~5% bzw. 45%) mit identischen PAM-Änderungen verlängert wurde.The design was adapted for rational mutagenesis of protein-coding screens on a genome-wide scale by generating "silent, selectable scars" derived from synonymous PAM mutations ( 14B , ΔPAM) to "immunize" the cells against Cas9-mediated cleavage but leave the translation product intact. We concluded that the silent scars allow co-selection for nearby changes to a codon or other features of interest with high efficiency. The effects of the arm length of homology and the distance between the PAM mutation / deletion and the desired mutation in galK were examined and the efficiencies compared ( 16B ). A significant increase in mutation efficiency at galK position 145 was observed when the arm length of homology was extended to 80 to 100 nucleotides (~ 5% and 45%, respectively) with identical PAM changes.

Beispiel 5: Verwendung des GEn-TraCER-Verfahrens, um Mutationen zu rekonstruierenExample 5: Use of the GEn-TraCER method to reconstruct mutations

Der GEn-TraCER-Ansatz wurde unter Verwendung einer benutzerdefinierten, automatisierten Design-Software auf einen genomischen Maßstab ausgeweitet, die an Targets der Stellen in dem Genom mit einer einfachen Benutzer-Eingabefunktion ermöglicht. Dieser Ansatz wurde durch Rekonstruieren aller nicht-synonymen Punktmutationen einer kürzlich veröffentlichten Studie über die thermale Adaption in E. coli ( Tenaillon et al. 2012 ) getestet. Diese Studie charakterisierte den kompletten Satz von Mutationen, die in 115 Isolaten von unabhängig vermehrten Stämmen auftraten. Dieser Datensatz stellt eine vielfältige Quelle von Mutationen bereit, deren individuelle Fitness-Effekte weiter Licht auf die mechanistische Grundlagen dieses komplexen Phänotyps werfen. Jede dieser Mutationen wurde, sofern möglich, mit einer 2-fachen Redundanz in der Codon Verwendung und ΔPAM rekonstruiert, um eine statistische Korrektur sowohl für die PAM als auch die Codon Target-Mutationen in einer nachfolgenden Fitnessanalyse zu ermöglichen.The GEn-TraCER approach has been extended to a genomic scale using custom, automated design software that allows for targets of the sites in the genome with a simple user input function. This approach was developed by reconstructing all non-synonymous point mutations of a recent study on the thermal Adaptation in E. coli ( Tenaillon et al. 2012 ) tested. This study characterized the complete set of mutations that occurred in 115 isolates of independently propagated strains. This dataset provides a diverse source of mutations whose individual fitness effects shed light on the mechanistic foundations of this complex phenotype. Each of these mutations was, if possible, reconstructed with a 2-fold redundancy in codon usage and ΔPAM to allow statistical correction for both the PAM and codon target mutations in a subsequent fitness analysis.

Beispiel 6: Verwendung des GEn-TraCER-Verfahrens, um genetische Interaktionen zu modulierenExample 6: Use of the GEn-TraCER method to modulate genetic interactions

Eine Promotor-Neuverkabelungs-Bibliothek wurde durch Integrieren eines Promotors erzeugt, der dynamisch durch ein Umgebungssignal (Sauerstoffspiegel, Kohlenstoffquelle, Stress) stromaufwärts von jedem Gen in dem E. coli Genom reguliert wird. Unter Verwendung des GEn-TraCER-Verfahrens wurden Stämme mit neu-verkabelten Genotypen erzeugt, die beispielsweise für die Toleranz gegenüber Chemikalien von Interesse für die Produktion vorteilhaft sein können.A promoter recabling library was generated by integrating a promoter that is dynamically regulated by an environmental signal (oxygen level, carbon source, stress) upstream from each gene in the E. coli genome. Using the GEn-TraCER method, strains have been generated with newly-cabled genotypes that may be advantageous, for example, for tolerance to chemicals of interest to production.

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  • Tenaillon et al. 2012 [0089] Tenaillon et al. 2012 [0089]

Claims (68)

Verwendung eines Vektors, umfassend: (i) mindestens eine Editier-Kassette, umfassend (a) eine Region, die homolog zu einer Target-Region einer Nukleinsäure in einer Zelle ist, (b) eine Mutation mindestens eines Nukleotids relativ zu der Target-Region, und (c) eine erste „Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation; (ii) einen Promotor; und (iii) eine Nukleinsäure, die für mindestens eine Guide-RNA (gRNA) codiert, umfassend (a) eine Region, die komplementär zu einem Teil der Target-Region ist; und (b) eine Region, die mit einer Cas9 Nuklease interagiert, zur Herstellung eines Medikaments zum Genom Engineering.Use of a vector comprising: (i) at least one editing cassette comprising (a) a region homologous to a target region of a nucleic acid in a cell, (b) a mutation of at least one nucleotide relative to the target region, and (c) a first "Protospacer Adjacent Motif" (PAM) mutation; (ii) a promoter; and (iii) a nucleic acid encoding at least one guide RNA (gRNA) comprising (a) a region that is complementary to a portion of the target region; and (b) a region that interacts with a Cas9 nuclease, for the manufacture of a medicament for genome engineering. Verwendung eines Vektors, umfassend: (i) mindestens eine synthetisierte Editier-Kassette, umfassend (a) eine Region, die homolog zu einer Target-Region einer Nukleinsäure in einer Zelle ist, (b) eine Mutation mindestens eines Nukleotids relativ zu der Target-Region, und (c) eine erste „Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation; (ii) einen Promotor; und (iii) eine Nukleinsäure, die für mindestens eine Guide-RNA (gRNA) codiert, umfassend: (a) eine Region, die komplementär zu einem Teil der Target-Region ist; und (b) eine Region, die mit einer Cas9 Nuklease interagiert, zur Herstellung eines Medikaments zum Genom Engineering.Use of a vector comprising: (i) at least one synthesized editing cassette comprising (a) a region homologous to a target region of a nucleic acid in a cell, (b) a mutation of at least one nucleotide relative to the target region, and (c) a first "Protospacer Adjacent Motif" (PAM) mutation; (ii) a promoter; and (iii) a nucleic acid encoding at least one guide RNA (gRNA) comprising: (a) a region that is complementary to a portion of the target region; and (b) a region that interacts with a Cas9 nuclease, for the manufacture of a medicament for genome engineering. Verwendung eines Vektors, umfassend: (i) mindestens eine Editier-Kassette, umfassend (a) eine Region, die homolog zu einer Target-Region einer Nukleinsäure in einer Zelle ist, (b) eine Mutation mindestens eines Nukleotids relativ zu der Target-Region, und (c) eine erste „Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation, wobei die Editier-Kassette als ein Trans-Barcode für nachfolgendes Sequenzieren dient; (ii) einen Promotor; und (iii) eine Nukleinsäure, die für mindestens eine Guide-RNA (gRNA) codiert, umfassend: (a) eine Region, die komplementär zu einem Teil der Target-Region ist; und (b) eine Region, die mit einer Cas9 Nuklease interagiert, zur Herstellung eines Medikaments zum Genom Engineering.Use of a vector comprising: (i) at least one editing cassette comprising (a) a region homologous to a target region of a nucleic acid in a cell, (b) a mutation of at least one nucleotide relative to the target region, and (c) a first "Protospacer Adjacent Motif" (PAM) mutation, where the edit cassette serves as a trans-barcode for subsequent sequencing; (ii) a promoter; and (iii) a nucleic acid encoding at least one guide RNA (gRNA) comprising: (a) a region that is complementary to a portion of the target region; and (b) a region that interacts with a Cas9 nuclease, for the manufacture of a medicament for genome engineering. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Target-Region sich innerhalb eines Gens von Interesse innerhalb der Zelle befindet.Use of a vector according to any one of claims 1-3, wherein the target region is within a gene of interest within the cell. Verwendung eines Vektors nach Anspruch 4, wobei die Mutation mindestens eines Nukleotids sich innerhalb mindestens eines Codons des Gens von Interesse befindet.Use of a vector according to claim 4, wherein the mutation of at least one nucleotide is located within at least one codon of the gene of interest. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 4–5, wobei die PAM Mutation sich außerhalb des Leserahmens des Gens von Interesse befindet.Use of a vector according to any one of claims 4-5, wherein the PAM mutation is outside the reading frame of the gene of interest. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 4–6, wobei das Gen von Interesse ein prokaryotisches Gen ist.Use of a vector according to any one of claims 4-6, wherein the gene of interest is a prokaryotic gene. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 4–6, wobei das Gen von Interesse ein eukaryotisches Gen ist.Use of a vector according to any one of claims 4-6, wherein the gene of interest is a eukaryotic gene. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 1–8, wobei die Mutation mindestens eines Codons sich innerhalb von 100 Nukleotiden von der PAM-Mutation befindet.Use of a vector according to any one of claims 1-8, wherein the mutation of at least one codon is within 100 nucleotides of the PAM mutation. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 1–9, wobei die Editier-Kassette chemisch synthetisiert wurde.Use of a vector according to any one of claims 1-9, wherein the editing cassette has been chemically synthesized. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 1–10, wobei die Editier-Kassette durch Array-basierte Synthese synthetisiert wurde.Use of a vector according to any one of claims 1-10, wherein the editing cassette has been synthesized by array-based synthesis. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 1–11, wobei die gRNA eine einzelne chimäre gRNA umfasst.Use of a vector according to any one of claims 1-11, wherein the gRNA comprises a single chimeric gRNA. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 1–11, wobei die gRNA eine crRNA und eine trRNA umfasst.Use of a vector according to any one of claims 1-11, wherein the gRNA comprises a crRNA and a trRNA. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 1–13, wobei der Vektor weiter mindestens zwei Priming-Stellen umfasst.Use of a vector according to any one of claims 1-13, wherein the vector further comprises at least two priming sites. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 1–14, wobei der Vektor weiter einen selektierbaren Marker umfasst.Use of a vector according to any one of claims 1-14, wherein the vector further comprises a selectable marker. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 1–15, wobei der Vektor weiter eine Nukleinsäure umfasst, die für eine Cas9 Nuklease codiert.Use of a vector according to any one of claims 1-15, wherein the vector further comprises a nucleic acid encoding a Cas9 nuclease. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 1–16, wobei das Genom Engineering umfasst: (a) Einführen des Vektors in eine erste Population von Zellen, wodurch eine zweite Population von Zellen hergestellt wird, die den Vektor umfasst; (b) Aufrechterhalten der zweiten Population von Zellen unter Bedingungen, unter denen Cas9 Nuklease exprimiert wird, wobei die Cas9 Nuklease auf dem Vektor codiert wird, auf einem zweiten Vektor codiert wird oder auf genomischer DNA der zweiten Population von Zellen codiert wird, wodurch eine dritte Population von Zellen hergestellt wird, die den Vektor und die Target-Region umfasst, die die PAM-Mutation umfasst; (c) Kultivieren des Produkts von (b) unter Bedingungen, die für die Lebensfähigkeit der Zelle geeignet sind, wodurch lebensfähige Zellen hergestellt werden, die eine Zielbibliothek umfassen; (d) Erhalten von lebensfähigen Zellen, die in (c) hergestellt wurden; und (e) Identifizieren der Mutation mindestens eines Nukleotids durch Sequenzieren.Use of a vector according to any one of claims 1-16, wherein the genome engineering comprises: (a) introducing the vector into a first population of cells, whereby a second Population of cells comprising the vector; (b) maintaining the second population of cells under conditions under which Cas9 nuclease is expressed, wherein the Cas9 nuclease is encoded on the vector, encoded on a second vector, or encoded on genomic DNA of the second population of cells, thereby obtaining a third Population of cells comprising the vector and the target region comprising the PAM mutation; (c) culturing the product of (b) under conditions suitable for the viability of the cell, thereby producing viable cells comprising a target library; (d) obtaining viable cells produced in (c); and (e) identifying the mutation of at least one nucleotide by sequencing. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 1–16, wobei das Genom Engineering umfasst: (a) Einführen des Vektors in eine erste Population von Zellen, wodurch eine zweite Population von Zellen hergestellt wird, die den Vektor umfasst; (b) Aufrechterhalten der zweiten Population von Zellen unter Bedingungen, unter denen Cas9 Nuklease exprimiert wird, wobei die Cas9 Nuklease auf dem Vektor codiert wird, auf einem zweiten Vektor codiert wird oder auf genomischer DNA der zweiten Population von Zellen codiert wird, wodurch eine dritte Population von Zellen hergestellt wird, die den Vektor und die Target-Region umfasst, die die PAM-Mutation umfasst; (c) Screenen oder Selektieren auf Zellen mit einem Phänotypen von Interesse; und (d) Identifizieren der Mutation mindestens eines Nukleotids durch Sequenzieren.Use of a vector according to any one of claims 1-16, wherein the genome engineering comprises: (a) introducing the vector into a first population of cells, thereby producing a second population of cells comprising the vector; (b) maintaining the second population of cells under conditions under which Cas9 nuclease is expressed, wherein the Cas9 nuclease is encoded on the vector, encoded on a second vector, or encoded on genomic DNA of the second population of cells, thereby obtaining a third Population of cells comprising the vector and the target region comprising the PAM mutation; (c) screening or selecting for cells having a phenotype of interest; and (d) identifying the mutation of at least one nucleotide by sequencing. Verwendung eines Vektors nach Anspruch 17 oder 18, wobei Sequenzieren Sequenzieren der Editier-Kassette des Vektors umfasst.Use of a vector according to claim 17 or 18, wherein sequencing comprises sequencing the editing cassette of the vector. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 1–16, wobei das Genom Engineering umfasst: (a) Einführen des Vektors in eine erste Population von Zellen, wodurch eine zweite Population von Zellen hergestellt wird, die den Vektor umfasst; (b) Aufrechterhalten der zweiten Population von Zellen unter Bedingungen, unter denen Cas9 Nuklease exprimiert wird, wobei die Cas9 Nuklease auf dem Vektor codiert wird, auf einem zweiten Vektor codiert wird oder auf genomischer DNA der zweiten Population von Zellen codiert wird, wodurch eine dritte Population von Zellen hergestellt wird, die den Vektor und die Target-Region umfasst, die die PAM-Mutation umfasst; (c) Kultivieren des Produkts von (b) unter Bedingungen, die für die Lebensfähigkeit der Zelle geeignet sind, wodurch lebensfähige Zellen hergestellt werden, die eine Ziel-Bibliothek enthalten; (d) Erhalten von lebensfähigen Zellen, die in (c) hergestellt wurden; und (e) Identifizieren der Mutation mindestens eines Nukleotids durch Sequenzieren der Editier-Kassette des Vektors.Use of a vector according to any one of claims 1-16, wherein the genome engineering comprises: (a) introducing the vector into a first population of cells, thereby producing a second population of cells comprising the vector; (b) maintaining the second population of cells under conditions under which Cas9 nuclease is expressed, wherein the Cas9 nuclease is encoded on the vector, encoded on a second vector, or encoded on genomic DNA of the second population of cells, thereby obtaining a third Population of cells comprising the vector and the target region comprising the PAM mutation; (c) cultivating the product of (b) under conditions suitable for the viability of the cell, thereby producing viable cells containing a target library; (d) obtaining viable cells produced in (c); and (e) identifying the mutation of at least one nucleotide by sequencing the editing cassette of the vector. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 1–16, wobei das Genom Engineering umfasst: (a) Einführen des Vektors in eine erste Population von Zellen, wodurch eine zweite Population von Zellen hergestellt wird, die den Vektor umfasst; (b) Aufrechterhalten der zweiten Population von Zellen unter Bedingungen, unter denen Cas9 Nuklease exprimiert wird, wobei die Cas9 Nuklease auf dem Vektor codiert wird, auf einem zweiten Vektor codiert wird oder auf genomischer DNA der zweiten Population von Zellen codiert wird, wodurch eine dritte Population von Zellen hergestellt wird, die den Vektor und die Target-Region umfasst, die die PAM-Mutation umfasst; (c) Screenen oder Selektieren auf Zellen mit einem Phänotypen von Interesse; und (d) Identifizieren der Mutation mindestens eines Nukleotids durch Sequenzieren der Editier-Kassette des Vektors.Use of a vector according to any one of claims 1-16, wherein the genome engineering comprises: (a) introducing the vector into a first population of cells, thereby producing a second population of cells comprising the vector; (b) maintaining the second population of cells under conditions under which Cas9 nuclease is expressed, wherein the Cas9 nuclease is encoded on the vector, encoded on a second vector, or encoded on genomic DNA of the second population of cells, thereby obtaining a third Population of cells comprising the vector and the target region comprising the PAM mutation; (c) screening or selecting for cells having a phenotype of interest; and (d) identifying the mutation of at least one nucleotide by sequencing the editing cassette of the vector. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 17–21, wobei Genom Engineering weiter Cas-9 induzierten Zelltod von Zellen umfasst, die die PAM-Mutation nicht umfassen.Use of a vector according to any one of claims 17-21, wherein genome engineering further comprises Cas-9-induced cell death of cells that do not comprise the PAM mutation. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 17–22, wobei die Zellen prokaryotische Zellen sind.Use of a vector according to any one of claims 17-22, wherein the cells are prokaryotic cells. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 17–22, wobei die Zellen eukaryotische Zellen sind.Use of a vector according to any one of claims 17-22, wherein the cells are eukaryotic cells. Verwendung eines Vektors nach Anspruch 24, wobei die Zellen Hefe-, Algen-, Pflanzen- oder Säugerzellen sind.Use of a vector according to claim 24, wherein the cells are yeast, algal, plant or mammalian cells. Verwendung einer Vektorbibliothek zur Herstellung eines Medikaments zum Genom Engineering, wobei die Vektorbibliothek mindestens zwei Vektoren wie in einem der Ansprüche 1–16 definiert, umfasst.Use of a vector library for the manufacture of a medicament for genome engineering, wherein the vector library comprises at least two vectors as defined in any one of claims 1-16. Verwendung einer Vektorbibliothek nach Anspruch 26, wobei die Vektorbibliothek erzeugt ist durch ein Verfahren umfassend: Bereitstellen einer Vielzahl von synthetisierten Editier-Oligonukleotiden, von denen jedes jeweils (a) eine Region, die homolog zu einer Target-Region einer Nukleinsäure in einer Zelle ist, (b) eine Mutation mindestens eines Nukleotids relativ zu der Target-Region, und (c) eine temporäre „Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation umfasst, Transformieren der Vielzahl von synthetisierten Editier-Oligonukleotiden und einer ersten Guide-RNA in eine Population von Zellen, die die Target-Region umfasst, Aufrechterhalten der Zellen unter Bedingungen, unter denen Cas9 Nuklease exprimiert wird, wobei die Cas9 Nuklease auf genomischer DNA innerhalb der Zelle codiert wird oder auf einem Polynukleotid codiert wird, das in die Zellen transformiert wird, Anreichern der Zellen, die die temporäre PAM-Mutation umfassen, wodurch eine Donor-Bibliothek erzeugt wird, die Target-Regionen umfasst, die die Mutation in mindestens einem Nukleotid und die temporäre PAM-Mutation umfasst, Amplifizieren der Donor-Bibliothek, um eine erste PAM-Mutation einzubauen, wodurch eine amplifizierte Donor-Bibliothek erzeugt wird, die eine mutierte Target-Region und die erste PAM-Mutation umfasst, Einbauen einer Nukleinsäure, die für mindestens eine Guide-RNA und mindestens einen Promotor codiert, in die Polynukleotide der Donor-Bibliothek, wodurch die Vektor-Bibliothek erzeugt wird.Use of a vector library according to claim 26, wherein the vector library is generated by a method comprising: providing a plurality of synthesized editing oligonucleotides each of which (a) is a region homologous to a target region of a nucleic acid in a cell, (b) a mutation of at least one nucleotide relative to the target region; and (c) a temporary "protospacer adj. motif" (PAM) mutation, transforming the plurality of synthesized editing oligonucleotides and a first guide RNA into a population of Maintaining the cells in the conditions under which Cas9 nuclease is expressed, wherein the Cas9 nuclease on genomic DNA within the Cell is encoded or encoded on a polynucleotide transformed into the cells, enriching the cells comprising the temporary PAM mutation, thereby producing a donor library comprising target regions having the mutation in at least one nucleotide and the temporary PAM mutation comprises amplifying the donor library to incorporate a first PAM mutation, thereby producing an amplified donor library comprising a mutant target region and the first PAM mutation, incorporating a nucleic acid, the encoding at least one guide RNA and at least one promoter into the polynucleotides of the donor library, thereby producing the vector library. Verwendung einer Vektorbibliothek nach Anspruch 27, wobei der Anreicherungsschritt Cas9-induzierten Zelltod von Zellen umfasst, die die temporäre PAM-Mutation nicht umfassen.Use of a vector library according to claim 27, wherein the enrichment step comprises Cas9-induced cell death of cells which do not comprise the temporary PAM mutation. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–28, wobei die Zellen prokaryotische Zellen sind.Use of a vector library according to any one of claims 27-28, wherein the cells are prokaryotic cells. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–28, wobei die Zellen eukaryotisches Zellen sind.Use of a vector library according to any one of claims 27-28, wherein the cells are eukaryotic cells. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–30, wobei die erste gRNA auf einem Plasmid codiert wird.Use of a vector library according to any one of claims 27-30, wherein the first gRNA is encoded on a plasmid. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–31, wobei die synthetisierten Editier-Oligonukleotide und die gRNA sequentiell in die erste Zelle eingeführt werden.Use of a vector library according to any of claims 27-31, wherein the synthesized editing oligonucleotides and the gRNA are introduced sequentially into the first cell. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–31, wobei die synthetisierten Editier-Oligonukleotide und die gRNA gleichzeitig in die erste Zelle eingeführt werden.Use of a vector library according to any of claims 27-31, wherein the synthesized editing oligonucleotides and the gRNA are introduced simultaneously into the first cell. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–33, wobei jede beliebige der gRNAs eine eine einzelne chimäre gRNA umfasst.Use of a vector library according to any one of claims 27-33, wherein any of the gRNAs comprises a single chimeric gRNA. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–33, wobei jede beliebige der gRNAs eine crRNA und eine trRNA umfasst.Use of a vector library according to any one of claims 27-33, wherein any of the gRNAs comprises a crRNA and a trRNA. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–35, wobei die Cas9 Nuklease unter Kontrolle eines induzierbaren Promotors exprimiert wird.Use of a vector library according to any one of claims 27-35, wherein the Cas9 nuclease is expressed under the control of an inducible promoter. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–36, wobei die erste PAM-Mutation stromabwärts von dem Gen von Interesse liegt.Use of a vector library according to any one of claims 27-36, wherein the first PAM mutation is downstream of the gene of interest. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–36, wobei die erste PAM-Mutation stromaufwärts von dem Gen von Interesse liegt.Use of a vector library according to any one of claims 27-36, wherein the first PAM mutation is upstream of the gene of interest. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–38, wobei die Mutation mindestens eines Nukleotids sich innerhalb von 100 Nukleotiden von der temporären PAM-Mutation befindet.Use of a vector library according to any one of claims 27-38, wherein the mutation of at least one nucleotide is within 100 nucleotides of the temporary PAM mutation. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–39, wobei die Mutation mindestens eines Nukleotids sich innerhalb von 100 Nukleotiden von der ersten PAM-Mutation befindet.Use of a vector library according to any one of claims 27-39, wherein the mutation of at least one nucleotide is within 100 nucleotides of the first PAM mutation. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–40, wobei die temporäre PAM-Mutation sich in der Nähe des 5'-Terminus der Editier-Oligonukleotide befindet.Use of a vector library according to any one of claims 27-40, wherein the temporary PAM mutation is near the 5 'terminus of the editing oligonucleotides. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–40, wobei die temporäre PAM-Mutation sich in der Nähe des 3'-Terminus der Editier-Oligonukleotide befindet.Use of a vector library according to any of claims 27-40, wherein the temporary PAM mutation is near the 3 'terminus of the editing oligonucleotides. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–42, wobei die Target-Region sich in einem Gen von Interesse in der Zelle befindet.Use of a vector library according to any one of claims 27-42, wherein the target region is in a gene of interest in the cell. Verwendung einer Vektorbibliothek nach Anspruch 43, wobei die Mutation mindestens eines Nukleotids sich innerhalb mindestens eines Codons des Gens von Interesse befindet.Use of a vector library according to claim 43, wherein the mutation of at least one nucleotide is located within at least one codon of the gene of interest. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 43–44, wobei die temporäre PAM-Mutation sich außerhalb eines Leserahmens des Gens von Interesse befindet.Use of a vector library according to any of claims 43-44, wherein the temporary PAM mutation is outside a reading frame of the gene of interest. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 43–45, wobei erste PAM-Mutation sich außerhalb eines Leserahmens des Gens von Interesse befindet.Use of a vector library according to any one of claims 43-45, wherein the first PAM mutation is outside a reading frame of the gene of interest. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–42, wobei die synthetisierten Editier-Oligonukleotide verschiedene Mutationen innerhalb der gleichen Target-Region umfassen.Use of a vector library according to any one of claims 27-42, wherein the synthesized editing oligonucleotides comprise different mutations within the same target region. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–42, wobei die synthetisierten Editier-Oligonukleotide verschiedene Mutationen innerhalb verschiedener Target-Region umfassen.Use of a vector library according to any one of claims 27-42, wherein the synthesized editing oligonucleotides comprise different mutations within a different target region. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–48, wobei die synthetisierten Editier-Oligonukleotide durch Array-basierte Synthese synthetisiert und gegebenenfalls amplifiziert werden. Use of a vector library according to any one of claims 27-48, wherein the synthesized editing oligonucleotides are synthesized by array-based synthesis and optionally amplified. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–49, wobei die synthetisierten Editier-Oligonukleotide rational entworfen werden.Use of a vector library according to any one of claims 27-49, wherein the synthesized editing oligonucleotides are rationally designed. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–50, wobei die Mutation mindestens eines Oligonukleotids eine oder mehrere Substitutionen, Deletionen, oder Insertionen relativ zu der Target-Region umfasst.Use of a vector library according to any one of claims 27-50, wherein the mutation of at least one oligonucleotide comprises one or more substitutions, deletions, or insertions relative to the target region. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–51, wobei die Nukleinsäure, die für mindestens eine Guide-RNA und einen Promotor codiert, durch Ligations-basiertes Klonieren in die Polynukleotide der Donor-Bibliothek eingebaut wird.Use of a vector library according to any of claims 27-51, wherein the nucleic acid encoding at least one guide RNA and a promoter is incorporated into the polynucleotides of the donor library by ligation-based cloning. Verwendung einer Vektorbibliothek nach einem der Ansprüche 27–51, wobei die Nukleinsäure, die für mindestens eine Guide-RNA und einen Promotor codiert, durch Ligations-freies Klonieren in die Polynukleotide der Donor-Bibliothek eingebaut wird.Use of a vector library according to any one of claims 27-51, wherein the nucleic acid encoding at least one guide RNA and a promoter is incorporated by ligation-free cloning into the polynucleotides of the donor library. Verwendung einer Zelle zur Herstellung eines Medikaments zum Genom Engineering, wobei die Zelle einen Vektor wie in einem der Ansprüche 1–16 definiert umfasst.Use of a cell for the manufacture of a medicament for genome engineering, the cell comprising a vector as defined in any one of claims 1-16. Verwendung einer Zellbibliothek zur Herstellung eines Medikaments zum Genom Engineering, wobei die Zellbibliothek eine Vektorbibliothek wie in einem der Ansprüche 26–53 definiert umfasst.Use of a cell library for the manufacture of a medicament for genome engineering, the cell library comprising a vector library as defined in any one of claims 26-53. Verwendung einer Zelle, umfassend (a) eine Nukleinsäure, die eine Target-Region umfasst, (b) einen Vektor, umfassend (i) mindestens eine Editier-Kassette, umfassend (a) eine Region, die homolog zu einer Target-Region einer Nukleinsäure in einer Zelle ist, (b) eine Mutation mindestens eines Nukleotids relativ zu der Target-Region, und (c) eine erste „Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation; (ii) einen Promotor; und (iii) eine Nukleinsäure, die für mindestens eine Guide-RNA (gRNA) codiert, umfassend (a) eine Region, die komplementär zu einem Teil der Target-Region ist; und (b) eine Region, die mit einer Cas9 Nuklease interagiert, und (c) eine Cas9 Nuklease zur Herstellung eines Medikaments zum Genom Engineering.Use of a cell comprising (a) a nucleic acid comprising a target region, (b) a vector comprising (i) at least one editing cassette comprising (a) a region homologous to a target region of a nucleic acid in a cell, (b) a mutation of at least one nucleotide relative to the target region, and (c) a first "Protospacer Adjacent Motif" (PAM) mutation; (ii) a promoter; and (iii) a nucleic acid encoding at least one guide RNA (gRNA) comprising (a) a region that is complementary to a portion of the target region; and (b) a region that interacts with a Cas9 nuclease, and (c) a Cas9 nuclease for the manufacture of a medicament for genome engineering. Verwendung einer Zelle, umfassend (a) eine Nukleinsäure, die eine Target-Region umfasst, (b) einen Vektor, umfassend (i) mindestens eine synthetisierte Editier-Kassette, umfassend (a) eine Region, die homolog zu einer Target-Region einer Nukleinsäure in einer Zelle ist, (b) eine Mutation mindestens eines Nukleotids relativ zu der Target-Region, und (c) eine erste „Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation; (ii) einen Promotor; und (iii) eine Nukleinsäure, die für mindestens eine Guide-RNA (gRNA) codiert, umfassend (a) eine Region, die komplementär zu einem Teil der Target-Region ist; und (b) eine Region, die mit einer Cas9 Nuklease interagiert, und (c) eine Cas9 Nuklease zur Herstellung eines Medikaments zum Genom Engineering.Use of a cell comprising (a) a nucleic acid comprising a target region, (b) a vector comprising (i) at least one synthesized editing cassette comprising (a) a region homologous to a target region of a nucleic acid in a cell, (b) a mutation of at least one nucleotide relative to the target region, and (c) a first "Protospacer Adjacent Motif" (PAM) mutation; (ii) a promoter; and (iii) a nucleic acid encoding at least one guide RNA (gRNA) comprising (a) a region that is complementary to a portion of the target region; and (b) a region that interacts with a Cas9 nuclease, and (c) a Cas9 nuclease for the manufacture of a medicament for genome engineering. Verwendung einer Zelle, umfassend (a) eine Nukleinsäure, die eine Target-Region umfasst, (b) einen Vektor, umfassend (i) mindestens eine Editier-Kassette, umfassend (a) eine Region, die homolog zu einer Target-Region einer Nukleinsäure in einer Zelle ist, (b) eine Mutation mindestens eines Nukleotids relativ zu der Target-Region, und (c) eine erste „Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation; wobei die Editier-Kassette als ein Trans-Barcode für nachfolgendes Sequenzieren dient; (ii) einen Promotor; und (iii) eine Nukleinsäure, die für mindestens eine Guide-RNA (gRNA) codiert, umfassend (a) eine Region, die komplementär zu einem Teil der Target-Region ist; und (b) eine Region, die mit einer Cas9 Nuklease interagiert, und (c) eine Cas9 Nuklease zur Herstellung eines Medikaments zum Genom Engineering.Use of a cell comprising (a) a nucleic acid comprising a target region, (b) a vector comprising (i) at least one editing cassette comprising (a) a region homologous to a target region of a nucleic acid in a cell, (b) a mutation of at least one nucleotide relative to the target region, and (c) a first "Protospacer Adjacent Motif" (PAM) mutation; the edit cassette serving as a trans-barcode for subsequent sequencing; (ii) a promoter; and (iii) a nucleic acid encoding at least one guide RNA (gRNA) comprising (a) a region that is complementary to a portion of the target region; and (b) a region that interacts with a Cas9 nuclease, and (c) a Cas9 nuclease for the manufacture of a medicament for genome engineering. Verwendung einer Zelle nach einem der Ansprüche 56–58, wobei die Nukleinsäure weiter (a) die Mutation mindestens eines Nukleotids, und (b) eine erste „Protospacer Adjacent Motif” (PAM) Mutation umfasst.Use of a cell according to any one of claims 56-58, wherein the nucleic acid further comprises (a) the mutation of at least one nucleotide, and (b) a first "protospacer adj. Motif" (PAM) mutation. Verwendung einer Zelle nach Anspruch 59, wobei die Mutation mindestens eines Nukleotids durch Sequenzieren der Editier-Kassette des Vektors identifiziert wird.Use of a cell according to claim 59, wherein the mutation of at least one nucleotide is identified by sequencing the editing cassette of the vector. Verwendung einer Population von Zellen zur Herstellung eines Medikaments zum Genom Engineering, wobei die Population von Zellen eine Vielzahl von Zellen wie in einem der Ansprüche 56–60 definiert umfasst.Use of a population of cells for the manufacture of a medicament for genome engineering, wherein the population of cells comprises a plurality of cells as defined in any of claims 56-60. Verwendung einer Population von Zellen nach Anspruch 61, umfassend eine Mutanten-Bibliothek, wobei jede Zelle der Mutanten-Bibliothek eine Nukleinsäure umfasst, die (a) eine Target-Region, (b) eine Mutation mindestens eines Nukleotids innerhalb der Target-Region relativ zu einer Wildtyp-Target-Region, wodurch eine Target-Region-Variante erzeugt wird, und (c) eine PAM-Mutation umfasst. Use of a population of cells according to claim 61, comprising a mutant library, wherein each cell of the mutant library comprises a nucleic acid comprising (a) a target region, (b) a mutation of at least one nucleotide within the target region relative to a wild-type target region, thereby producing a target region variant, and (c) comprising a PAM mutation. Verwendung einer Population von Zellen nach Anspruch 62, wobei die Mutanten-Bibliothek rational entworfene Mutationen in mindestens einem Gen von Interesse umfasst.Use of a population of cells according to claim 62, wherein the mutant library comprises rationally designed mutations in at least one gene of interest. Verwendung einer Population von Zellen nach Anspruch 63, wobei das mindestens eine Gen von Interesse ein prokaryotisches Gen ist.Use of a population of cells according to claim 63, wherein said at least one gene of interest is a prokaryotic gene. Verwendung einer Population von Zellen nach Anspruch 63, wobei das mindestens eine Gen von Interesse ein eukaryotisches Gen ist.Use of a population of cells according to claim 63, wherein said at least one gene of interest is a eukaryotic gene. Verwendung einer Population von Zellen nach einem der Ansprüche 62–65, wobei die Mutanten-Bibliothek Target-Region-Varianten eines Gens von Interesse umfasst.Use of a population of cells according to any one of claims 62-65, wherein the mutant library comprises target region variants of a gene of interest. Verwendung einer Population von Zellen nach einem der Ansprüche 62–65, wobei die Mutanten-Bibliothek Target-Region-Varianten mindestens eines Gens von Interesse umfasst.Use of a population of cells according to any one of claims 62-65, wherein the mutant library comprises target region variants of at least one gene of interest. Verwendung einer Population von Zellen nach einem der Ansprüche 62–65, wobei die Mutanten-Bibliothek Target-Region-Varianten mindestens zweier Gene von Interesse umfasst.Use of a population of cells according to any one of claims 62-65, wherein the mutant library comprises target region variants of at least two genes of interest.
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